Canales

CANALES: CANALES: DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BASICOS

“Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de la

gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmosfera. Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre). Dentro de estos últimos, pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías)”.

Villon B., Máximo, Máximo, Hidráulica de canales, Editorial Editorial Villón, Lima Perú, Año 2007, Pg. 15

SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES “La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy

irregular y varia de un lugar a otro. Los canales artificiales, usualmente se diseñan con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes: Secciones abiertas; Sección trapezoidal, rectangular, parabólica y Secciones cerradas; Sección circular y sección de herradura”.


SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES “La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy

irregular y varia de un lugar a otro. Los canales artificiales, usualmente se diseñan con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes: Secciones abiertas; Sección trapezoidal, rectangular, parabólica y Secciones cerradas; Sección circular y sección de herradura”.


ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL “Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que

pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo del flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. Para secciones complicadas y secciones de corrientes naturales, sin embargo, no se puede escribir una ecuación simple para expresar estos elementos, pero pueden prepararse curvas que representen la relación entre estos elementos y la profundidad de flujo para uso en cálculos hidráulicos”. Villon B., Máximo, Hidráulica de canales, Editorial Villón, Lima Perú, Año 2007, Pg. 16

RELACIONES GEOMÉTRICAS DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES MÁS FRECUENTES

Villon B., Máximo, Máximo, Hidráulica Hidráulica de canales, Editorial Villón, Lima Perú, Año 2007, Pg. 36

FLUJO EN CANALES ABIERTOS “El flujo en canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción

de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre el no actúa otra presión que la debida a su propi peso y a la presión de la atmosfera”.

Giles R.V., Evett J.B., Liu C., Mecánica de los fluidos e hidráulica 3ra Edición, Editado por EDIGRAFOS. S.A. Madrid, España, 2003, Pg. 222

FLUJO UNIFORME Y PERMANENTE “El flujo uniforme y permanente comprende dos condiciones de flujo. El flujo

permanente, como se define para flujo en tuberías, se refiere a la conducción según la cual las características del flujo en un punto no varían con el tiempo. El flujo uniforme se refiere a la condición según la cual la profundidad, pendiente, velocidad y sección recta permanecen constantes en una longitud dada del canal. En el caso especial de estos flujos, la línea de alturas totales, la línea de alturas piezométricas y la solera del canal son todas paralelas”.


FLUJO NO UNIFORME “El flujo no uniforme ocurre cuando la profundidad del líquido varia a lo largo de

la longitud del canal abierto. El flujo no uniforme puede ser permanente o no permanente del canal abierto. También puede clasificarse en tranquilo, rápido o crítico”.


FLUJO LAMINAR “El flujo laminar en canales abiertos se dará para valores del número de

Reynolds Re de 2000 o menores. El flujo puede ser laminar hasta Re= 10000. Para el flujo en canales abiertos Re=4RV/v, donde el R es el radio hidráulico (área de la sección recta dividida por el perímetro modado V= velocidad de la corriente, y v= viscosidad cinemática”.


FLUJO EN CANALES ABIERTOS DE SECCION RECTA CIRCULAR “Los problemas sobre flujo uniforme en canales abiertos de secciones circul ares

pueden resolverse esencialmente de la misma forma que los de secciones no circulares, radicando la mayor diferencia en el cálculo del radio hidráulico de parte de una sección circular que, en general, encierra mayor dificultad. Los cálculos en los que intervienen secciones rectas que son segmentos de círculos, aunque no muy complicado, son sin embargo, muy laboriosos”.


SECCIONES RECTAS DE MAXIMO RENDIMIENTO “Las secciones rectas de máximo rendimiento para un canal abierto se define

como aquella sección que de él máximo caudal cuando se dan la pendiente, el área y el coeficiente de rugosidad. Si estas magnitudes se mantienen constantes, la velocidad (y por tanto, el caudal) será de máxima cuando el perímetro mojado sea mínimo. Basándose en esta premisa, se puede determinar la sección recta de mayor rendimiento ( y, por tanto, la más económica) para as formas más comunes”.


SECCIONES RECTAS DE MAXIMO RENDIMIENTO “De todas las secciones rectas, la de máximo rendimiento es el semic írculo, ya

que tiene el perímetro mojado sea mínimo para un área dada. Para una sección rectangular, la de mayor rendimiento es la que tiene una profundidad igual a la mitad de su anchura. Para una sección triangular, la que tiene la pendiente de los lados igual a la unidad es de máximo rendimiento. Y para una sección trapezoidal es la que es igual a la mitad de un hexágono regular (es decir, los tres lados iguales con ángulos interiores de 120° cada uno)”.


CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL “Tanto los canales rígidos como los canales naturales presentan en común una

serie de propiedades que se deben considerar para propósitos hidráulicos. Para el caso de canales prismáticos, estas propiedades se pueden expresar a través de ecuaciones en términos de la profundidad (y) del flujo”.

Duarte A., Carlos A., Introducción a la Hidráulica de Canales, 3 ra edición, Editado por la Universidad Nacional de Colombia, Colombia, Año 2011, Pg. 1-5.

IMPORTANCIA DEL RADIO HIDRÁULICO Y DEL FACTOR DE TRANSPORTE K “Canales con sección transversal rectangular: Es posible analizar la

influencia que presenta tanto la variación de la profundidad como la anchura de la base del canal en el comportamiento del radio hidráulico. Inicialmente, para el caso de un canal rectangular, la expresión para el radio hidráulico se transforma   en:     . Es claro que, si en una sección determinada permanece constante la magnitud de la profundidad del flujo mientras aumenta la anchura de la base del canal, el radio hidráulico tiende a ser igual a la profundidad (Y)”.


IMPORTANCIA DEL RADIO HIDRÁULICO Y DEL FACTOR DE TRANSPORTE K “Canales con sección transversal trapezoidal: En este caso los factores

geométricos de la sección presentan una variable adicional: el ángulo de los laterales del canal definido por el parámetro m. Para estudiar tanto el comportamiento del radio hidráulico como el comportamiento del factor de transporte K basta con asumir una magnitud constante para la anchura de la base del canal, seleccionar valores para el parámetro m y hacer variar la profundidad Y del flujo”.


IMPORTANCIA DEL RADIO HIDRÁULICO Y DEL FACTOR DE TRANSPORTE K

“c) Canales con sección transversal cerrada: los canales son sección

transversal cerrada se denominan de orden 2 con el propósito de diferenciarlos de los canales con sección transversal abierta. Ejemplos de canales de orden 2 son aquellos canales con sección triangular con laterales convergentes, túneles y alcantarillas (sección circular)”.


DISTRIBUCION DE VELOCIDAD Y COEFICIENTES “La distribución de velocidad de un flujo en canal abierto varía continuamente de

una sección transversal a otra a causa de: efectos de fricción que ocurren en los contornos y en la misma masa fluida, cambios de profundidad, cambios de sección, presencia de curvas y obstrucciones parciales, vegetación, sedimentos”.


DISTRIBUCION DE VELOCIDAD Y COEFICIENTES “ A diferencia del flujo a presión, el flujo en un canal abierto no es simétrico

respecto a sus tres ejes espaciales debido a la existencia de la superficie libre, lugar donde los esfuerzos tangenciales son despreciables, sin embargo la velocidad máxima ocurre en zonas situadas por debajo de la superficie libre dependiendo su localización en vertical no solo de la relación entre profundidad del flujo- anchura de base del canal sino también de la forma de la sección transversal".


DISTRIBUCION DE PRESION “la distribución de presión en vertical en una determinada sección transversal de

un canal, en el que se presenta flujo con superficie libre, está gobernada por la aceleración de la gravedad y por otro tipo de aceleraciones. Para obtener la distribución de presión en una determinada sección basta aplicar la ecuación de Euler”.


FLUJO CRÍTICO Y FLUJO UNIFORME

“Tanto el flujo critico como el flujo uniforme son la base del estudio del flujo con

superficie libre no solo en canales prismáticos sino también en canales naturales. Ya que tales flujos presentan características muy especiales, es necesario estudiar y comprender el comportamiento de los diversos parámetros que los influyen y los limitan, así como el efecto que causan las condiciones de contorno”.


FLUJO CRÍTICO “En los capítulos anteriores del presente libro se menciona la existencia de tres

secciones criticas según masa, energía, momentum. Igualmente se mostró que cada una de estas secciones define una profundidad critica: cuando se asume que los coeficientes β y α son constates para cambien en la profundidad, las

profundidades Ycα y Ycβ son diferentes entre si y además diferentes a la profundidad critica Ycm .


FLUJO CRÍTICO “Determinar el caudal cuando la sección es crítica: ya que la sección es crítica y bajo la consideración de q ue el coeficiente α es constante para cambio

en la profundidad e igual a 1.0, la ecuación 2.7 se convierte en la ecuación 1.5a. De esta forma es sencillo establecer el caudal ya que se pueden establecer los factores geométricos A y T de la sección”.


FLUJO UNIFORME

“El flujo uniforme es aquel

donde las propiedades permanecen constantes

respecto al espacio; así el área de la sección transversal, la profundidad del flujo, la distribución de velocidades y por supuesto la velocidad media, se conservan a lo largo del canal. Adicionalmente en un flujo uniforme no puede existir cambio de momentum ni variación del caudal, condición ultima que lo clasifica entonces como flujo permanente. Así se define el término “canal prismático”, es decir

conductos cuya pendiente longitudinal del fondo y sección transversal no cambian a lo largo del eje longitudinal del flujo. Duarte A., Carlos A., Introducción a la Hidráulica de Canales, 3 ra edición, Editado por la Universidad Nacional de Colombia, Colombia, Año 2011, Pg. 3-14.

FLUJO UNIFORME “La profundidad del flujo uniforme se denomina generalmente “profundidad normal” la cual se designará como Yn. Por otra parte es necesario llamar la

atención en el hecho de que el flujo uniforme generalmente no puede ocurrir cuando la velocidad es muy alta (canal con pendiente pronunciada), ya que se tornará inestable además de arrastrar masas de aire que lo harán llegar a una condición de flujo no permanente, generándose así la formación de ondas rodantes”.


Flujo uniforme laminar “un flujo uniforme es laminar si el número de Reynolds, dado por la expresión

Re=(4RbU/v), es menor o igual que 2000. Este tipo de ocurre cuando la profundidad es pequeña y el conducto tiene una anchura considerable, siendo posible despreciar la resistencia que ofrecen los contornos laterales del conducto. Así se puede asumir que el perímetro mojado es igual al ancho de la base del canal surgiendo entonces la definición del término “flujo a través de un canal ancho”, pudiéndose establecer que el radio hidráulico Rh es similar a la profundidad del flujo Yn (profundidad normal)”.


DISEÑO DE CANALES

“El diseño de canales con flujo uniforme se fundamenta en un a condición; no

debe existir erosión del contorno ni se debe generar la sedimentación del mismo. Los canales pueden ser revestidos o no revestidos (canales de tierra) pero a pesar de ello el diseño de canales se reduce a la definición de la magnitud tanto de la anchura de la base (b) del canal como de la profundidad normal Yn del flujo, pero siempre en búsqueda de la sección más económica”.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Sección hidráulica óptima (SHO): Si las dimensiones del canal se determinan

utilizando el criterio de minimizar el perímetro mojado, la sección obtenida, sección hidráulica optima (SHO) es la misma para canales revestidos que para canales no revestidos.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Pendiente longitudinal del canal (S o): Si bien la pendiente longitudinal del

canal puede quedar definida por las características topográficas de la zona por donde se trazara el canal, existen otros factores relevantes importantes como: propósito para el que se construirá el canal, la perdida de energía disponible en el proyecto, la geología y el caudal. Este último factor es importante porque, para una determinada magnitud del caudal, una pendiente pequeña traerá como consecuencia una sección mayor, ocurriendo lo contrario en caso de diseñar el canal con una mayor pendiente. Duarte A., Carlos A., Introducción a la Hidráulica de Canales, 3 ra edición, Editado por la Universidad Nacional de Colombia, Colombia, Año 2011, Pg. 3-38.

“Pendiente longitudinal del canal (S o): “Como consecuencia del diseño con una mayor pendiente, existe la posibilidad

de explorar diferentes pendientes, pero teniendo en cuenta que los canales con flujo uniforme presentan pendientes límite para valores definidos de rugosidad, sección transversal y FR, como por ejemplo son; pendiente tipo M (moderada) es cuando el flujo presenta una profundidad mayor que la profundidad critica , pendiente tipo C (critica) es cuando el flujo uniforme presenta una profundidad igual que la crítica, pendiente tipo S (rápida) si la profundidad del flujo uniforme es menor que la profundidad crítica.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Taludes o pendiente de los laterales (m): la selección de la pendiente de los

laterales depende en gran medida de la calidad del terreno a excavar. Normalmente se sugiere los valores que presenta la tabla con valores recomendados para la pendiente de los laterales del canal ”.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Velocidad mínima permitida: Se define como la menor velocidad que puede

tener el flujo para no permitir ni la sedimentación ni el crecimiento de vegetación. Se recomienda que esta velocidad se encuentre en el rango de 0.6m/s a 0.9m/s.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Borde libre (F): El borde libre es la altura medida desde la superficie máxima

del agua hasta la cota de la banca del canal, que se adiciona a la sección transversal con el propósito de tener en cuenta posibles sobreelevaciones del nivel del agua generadas por ondas o por otros fenómenos. La magnitud de F depende del caudal, tal y como lo propone la U.S. Bureau of Reclamation (USBR). No obstante mediante un análisis de regresión de los puntos que forman la curva es posible obtener ecuaciones. Duarte A., Carlos A., Introducción a la Hidráulica de Canales, 3 ra edición, Editado por la Universidad Nacional de Colombia, Colombia, Año 2011, Pg. 3-39.

DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Altura libre de revestimiento (L): La altura libre de revestimiento es la

distancia vertical medida desde la superficie libre hasta el nivel donde termina el revestimiento de los laterales del canal. La USBR presenta un gráfico para determinar dicha altura (que depende de la magnitud del caudal). Como en el caso anterior es posible definir la magnitud de L mediante las ecuaciones mencionadas”.


DISEÑO DE CANALES Factores comunes: “Curvas: Evidentemente el trazado en planta de un canal requiere del diseño de

curvas que sirvan de unión entre tramos rectos del conducto. En las zonas de curvas el flujo presenta una sobreelevación en la margen externa del canal debido a la fuerza centrífuga que surge por el cambio de dirección de la corriente. De la misma forma en la argen interna el flujo sufre un abatimiento”.

Duarte A., Carlos A., Introducción a la Hidráulica de Canales, 3 ra edición, Editado por la Universidad Nacional de Colombia, Colombia, Año 2011, Pg. 3-30

PERDIDAS LOCALES DE ENERGIA “Consideraciones generales: El agua, como cualquier fluido, tiene una

viscosidad finita. Por esto, en cualquier fenómeno de flujo, se presenta una transformación de energía cinética en calor, debido al trabajo que realizan las fuerzas viscosas. En vista de que el calor es una forma de energía que puede ser considerada como perdida para el sistema mecánico, en hidromecánica se denomina también a la energía transformada perdida de energía (disipación)”.

Naudascher, Eduard, Hidraulica de canales, Diseño de estructuras, Editorial Limusa S.A, Mexico,Año 2009, Pg. 157

Formas de perdida de energía: “La concentrada localmente denominada pérdida local de energía la cual se

origina primordialmente por efecto de los esfuerzos internos de corte, que se producen en zonas de separación de flujo, de dimensiones limitadas y la distribuida en forma continua, denominada, sin mucha razón, perdida por rozamiento la cual se presentan a causa de los esfuerzos de corte, que se originan en un contorno liso o rugoso”.


COMPARACION GENERAL DE LOS FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO “Número de Reynolds (Re) es una herramienta para determinar y predecir el tipo

de flujo Parámetro adimensional que depende de la densidad y viscosidad del fluido analizado, la velocidad del mismo y una dimensión característica que depende del sistema a analizar: Representa el cociente entre las fuerzas de inercia del flujo y las fuerzas debidas a la viscosidad, y mide la influencia relativa de esta última. Si Re ↑↑ Flujo tiende a ser turbulento (debido a altas velocidades o bajas viscosidades). Si Re ↓↓ Flujo tiende a ser laminar (debido a altas viscosidades o bajas densidades)”.

Shames, Irving H., La mecánica de los Fluidos, Editado por EDICIONES DE CASTILLO, S.A., Madrid, España, 1970, Pg. 297

NÚMEROS CRÍTICOS DE REYNOLDS “Para flujo en conductos, el número de Reynolds adopta la primera de las

expresiones anteriores. Normalmente se trabaja con los siguientes rangos: Si Re ≤ 2000 Flujo LAMINAR, Si Re ≥ 4000 Flujo TURBULENTO, Si 2000 < Re < 4000 Región CRÍTICA (no es posible predecir el régimen del flujo). Número crítico inferior de Reynolds: Valor del Reynolds por debajo del cual el régimen es necesariamente laminar. Cualquier perturbación es amortiguada por la viscosidad”.


NÚMEROS CRÍTICOS DE REYNOLDS Se denomina velocidad característica a la velocidad por debajo de la cual toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del flujo. En condiciones muy controladas, se han llegado a conseguir flujos laminares para valores del número de Reynolds mayores de 40000 (Re ≥ 40.000), sin embargo, para valores superiores a 4000 (Re ≥ 4000) cualquier pequeña

perturbación provocaría un cambio de régimen laminar a turbulento, sin que el efecto de la viscosidad pudiera amortiguar la turbulencia.


FLUJO EN CANALES ABIERTOS “El flujo de superficie libre u ondas de agua, se refiere en general a un flujo

líquido en que una parte del contorno del flujo llamada superficie libre, está sometida únicamente a ciertas condiciones de presión determinadas. En el análisis del flujo de superficie libre se conoce a priori la geometría de dicha superficie”.


FLUJO EN CANALES ABIERTOS Consideraciones del razonamiento y de la distribución de velocidades. “Si imitamos nuestro estudio al flujo en canales abiertos, se nos presentan,

además de las dificultades de la superficie libre, la dificultad adicional de que debe tenerse en cuenta el rozamiento como consecuencia de la vecindad de los contornos mojados al flujo principal. Puesto que los problemas que consideraremos se refieren a canales que son largos comparados con las dimensiones de la sección transversal, se considerara el desarrollo del flujo turbulento en los estudios de flujos en canales de este capítulo”. Shames, Irving H., La mecánica de los Fluidos, Editado por EDICIONES DE CASTILLO, S.A., Madrid, España, 1970, Pg. 297

FLUJO EN CANALES ABIERTOS “¿Qué puede decirse en relación a la distribución de velocidades en el flujo

en canales? Se recordara que, los estudios de flujo turbulento a través de una tubería, se hicieron solamente después de establecer la hipótesis de la longitud de mezcla de Prandtl, y utilizando datos empíricos adicionales que fueran aptos para definir una distribución, que fuese aplicable para elevados número de Reynolds. En el caso de canales estrechos es más difícil, y para ellos se ha indicado un perfil experimental donde la velocidad máxima no se produce en la superficie libre, sino, a cierta profundidad. Tampoco es plana la superficie libre en una sección del flujo señalado en un diagrama aproximado. Shames, Irving H., La mecánica de los Fluidos, Editado por EDICIONES DE CASTILLO, S.A., Madrid, España, 1970, Pg. 297

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LOS CANALES: “Definición: Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el

agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso”.

Rodríguez R. Pedro, 2008, Conceptos y elementos de un canal

Clasificación de los canales: “a) Canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de

manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variable durante su recorrido lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los lechos.


Clasificación de los canales: “b) Canales artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos

o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio”.


Clasificación de los canales: Canales artificiales: “Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas regulares

(prismáticos), un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo”.


Secciones abiertas: “Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a que proveen las

pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos. Sección rectangular : Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos”.


Canales artificiales: Secciones abiertas: “Sección triangular : Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también

en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras. Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra”.


Canales artificiales: Secciones cerradas: “Sección circular : El círculo es la sección más común para alcantarillados y

alcantarillas de tamaños pequeño y mediano. Sección parabólica: se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes”.


Selección de secciones de los canales: “La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del

tipo de canal por construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular en canales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en canales pequeños como las cunetas y contra cunetas en las carreteras, y la circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como las anteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad ”.


Elementos geométricos de los canales: “Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que

pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección ”.


Elementos geométricos de los canales: “Tirante de agua o profundidad de flujo “d ”: Es la distancia vertical desde el

punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal. Ancho superficial o espejo de agua “T ”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m.”


Elementos geométricos de los canales: “Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m”

es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material (Θ) , es decir m=x/d y depende del tipo de material material en que se construya construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1 ”. Rodríguez R. Pedro, 2008, Conceptos y elementos de un canal

CIRCULACION CON SUPERFICIE LIBRE Régimen permanente uniforme. “Las circulaciones con superficie libre, como las circulaciones a presión, se

siguen caracterizando por el número de Reynolds, que expresa el efecto de las fuerzas de viscosidad. Por consiguiente, son también función del parámetro adimensional que expresa la influencia de la gravedad y que, como se vio, se llama número de Froude”

Coutinho de Lencastre, A., Hidraulica Practica, Editorial Dossat, S.A., Madrid, España, Año 1962, Pg. 72.

Régimen permanente uniforme. “Tipos de movimiento : En los vertidos en superficie libre el movimiento viscoso

se verifica para valores del número de Reynolds, definidos en una ecuación dada, menores de 500. Este movimiento solo tiene lugar en canales pequeñísimos o con velocidades muy pequeñas, teniendo su aplicación técnica, casi exclusivamente, en la teoría de la lubrificación. Para valores mayores a 500 el régimen pasa a turbulento”.


SECCIONES DE CAUDAL MAXIMO. “A veces interesa determinar, para algunas formas geométricas, que sección, en

igualdad de área S, el caudal será máximo cuando el espesor medio hidráulico R sea máximo y, consecuentemente, por ser S constante, cuando el perímetro mojado P se mínimo. Para la sección semicircular, la superficie libre debe coincidir con el diámetro diámetro del círculo. círculo. La altura del agua será igual igual al radio del circulo y el espesor medio hidráulico será R=h/2”.


SECCIONES DE CAUDAL MAXIMO. “El perfil trapecial isósceles que corresponde al máximo de caudal es, para cada

inclinación de los lados m, el que se pudiera circunscribir en una semicircunferencia cuyo diámetro coincide con la superficie libre. En estas condiciones, los diferentes elementos geométricos son fácilmente determinados a partir de los datos dados en la tabla 113. La sección rectangular puede considerarse el caso límite de la anterior, cuando m, tiende hacia cero, lo que conduce a una anchura igual al doble de l a altura.”


SECCIONES DE CAUDAL MAXIMO. “Es fácil comprobar que, de los tres perfiles indicados, es el semicircular el que,

para un mismo caudal, necesita menores dimensiones. Así, pues, por ser de difícil construcción, se adopta más frecuentemente el perfil trapecial. Aun dentro del perfil trapecial se huye a veces del correspondiente al caudal máximo, sobre todo cuando este perfil exige grandes profundidades.”


SECCIONES COMPUESTAS “en el caso indicado, compuesta por un lecho menor y por un lecho mayor, el

caudal debe ser calculado sumado el caudal correspondiente a toda la sección central, Sc definida por los puntos C´C D E F F´ a que corresponde el perímetro mojado CD + DE + EF, y el caudal correspondiente a los trozos laterales ABCC´y HGFF´, a que corresponden los perímetros mojados respectivamente.”


ESTABILIDAD DE CANALES “Fuerza de arrastre: cuando un canal no está revestido hay necesidad de

averiguar la estabilidad del fondo y de los taludes, con el fin de que no se produzcan erosiones provocadas por el agua. Durante mucho tiempo se estudiaba la estabilidad del canal a partir del concepto de la velocidad, fijándose para cada material un límite superior para la velocidad a fin de garantizar la estabilidad del fondo y de los lados.”

Coutinho de Lencastre, A., Hidraulica Practica, Editorial Dossat, S.A., Madrid, España, Año 1962, Pg. 81

.Fuerza de arrastre: “Si el material grueso no coherente no estuviera en fondo horizontal, se habría

de tener en cuenta el efecto de la inclinación de los lados, el cual puede ser expresado, desde el punto de vista práctico, por un factor K definido como la relación entre la fuerza de arrastre necesaria para poner en movimiento determinado material colocado en lados inclinados y la fuerza critica de arrastre del mismo material colocado en un plano horizontal.”


VELOCIDAD MÁXIMA: “Aunque la tendencia actual permite basar los cálculos en la fuerza de arrastre,

se presentan en una tabla (tabla 115) los valores normalmente admitidos para la velocidad máxima.”


INCLINACION DE LOS TALUDES “La inclinación de los taludes en un canal trapecial no puede ser superior al

ángulo del talud natural del terreno. En la tabla 116 se indican los valores normalmente admitidos.”


COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “Las rugosidades de los canales en material no coherente es función del



 

diámetro medio de las partículas; será aproximadamente:    () en que D35 es el diámetro al que corresponde el 35 por 100 del material de diámetro superior.”


COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “Cuando se proyecta un canal se debe tener en cuenta que los elementos más

finos serán arrastrados; se debe entonces fijar la rugosidad en relación con los elementos que, de acuerdo con las fuerzas de arrastre, o con las velocidades admitidas, se esperan que no sean arrastrados.”


CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio de los parámetros profundidad, velocidad, área etc. del flujo con respecto al tiempo y al espacio.

Rodríguez R. Pedro, 2010, Clasificación del flujo en canales abiertos.

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS “Flujo permanente y flujo no permanente. El flujo es permanente si los

parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes. En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo, si el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente.”


CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES ABIERTOS

“Flujo uniforme y flujo variado .- Esta clasificación obedece a la utilización del

espacio como variable. El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del flujo permanecen constantes. Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.”


Flujo uniforme y flujo variado. “Flujo uniforme permanente: La profundidad del flujo no cambia durante el

intervalo de tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos.”


Flujo uniforme y flujo variado. “Flujo uniforme no permanente: El establecimiento de un flujo uniforme no

permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal, como esta es una condición prácticamente imposible, Flujo uniforme no permanente es poco frecuente (raro).”


Flujo uniforme y flujo variado. “Flujo rápidamente variado : El flujo es rápidamente variado si la profundidad

del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, como es el caso del resalto hidráulico.”


Flujo uniforme y flujo variado. “Flujo gradualmente variado: El flujo gradualmente variado es aquel en el cual

los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso. El flujo gradualmente variado puede ser acelerado o retardado. El primero se presenta cuando los tirantes en la dirección del escurrimiento van disminuyendo y el segundo, llamado también remanso, existe cuando sucede el fenómeno contrario. Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un vertedor o cualquier obstrucción semejante.”


ESTRUCTURAS DE TRANSICION Y ESTRUCTURAS DE CANALES “la perdida local de energía se origina primordialmente por efecto de los

esfuerzos internos de corte, que se produce en zonas de separación del flujo, de dimensiones limitadas”.


INFLUENCIA DE ONDAS “Debido a que se trata a ondas de gravedad, cuyas características pueden ser analizadas por medio del número de Froude “.

Naudascher, Eduard, Hidraulica de canales, Diseño de estructuras, Editorial Limusa S.A, Mexico,Año 2009, Pg. 167.

INFLUENCIA DE LAS VIBRACIONES DE LA ESTRUCTURA “Un efecto sobre el cual se ha puesto muy poca atención hasta el día de hoy, es

el efecto de las vibraciones de la estructura sobre la resistencia del flujo y la perdida de energía. Este efecto se produce porque los vórtices, los cuales se separan en forma alternada, se controlan, se amplifican y se modifica su punto de origen debido a las vibraciones “.

Naudascher, Eduard, Hidraulica de canales, Diseño de estructuras, Editorial Limusa S.A, Mexico,Año 2009, Pg. 169.

PERDIDAS DE ENERGIA POR CAMBIO DE DIRECCION Y BIFURCACIONES (flujo sub crítico) “Un cambio de dirección o curva en un canal produce un cambio local de la

distribución de velocidades del flujo, unido necesariamente a una inclinación de la superficie libre de agua, a la generación de flujos secundarios y a perdidas locales de energía”.


PERDIDAS DE ENERGIA POR CAMBIO DE DIRECCION Y BIFURCACIONES (flujo sub crítico) “El efecto de la viscosidad sobre el recorrido de las líneas de corriente y sobre

las relaciones de energía es, más importante. Por efecto la velocidad se anula tanto en las paredes exteriores como en el fondo del canal”.


BIFURCACIONES Y CONFLUENCIA DE CANALES “Si te toma en cuenta que las pérdidas de energía dependen, por sobre todo, de

la forma de bifurcación o de la confluencia, entonces se puede deducir que si se pretende exactitud en el diseño, no se puede eludir los ensayos en modelo para cada problema particular”.


ESTRUCTURA DE TRANSICION PARA FLUJO SUBCRITICO “Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en

el diseño de una transición entre los canales de diferentes sección transversal, o entre un canal y una galería o un sifón. Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se puede mencionar: primero, minimización de las pérdidas de energía por medio de las estructuras económicamente justificables; segundo, eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices y tercero, eliminación de las zonas con agua tranquila o flujo r etardado”.


ENSANCHAMIENTO EN CANALES Y ESTRUCTURAS DE ENTREGA “Una diferencia básica radica en la limitada posibilidad práctica de recuperar la

energía cinética en la corriente que se expande, debido a la tendencia del flujo retardado o separarse de la pared. Por esta razón, se debe prestar aquí mayor atención al diseño de paredes y la determinación de las pérdidas de energía que para el caso de un estrechamiento “.


Canales

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