CANALES HIDRAULICOS INTRODUCCION: En este tema se describiremos el uso de canales para poder alimentar y trasladar aguas de una cuenca a otra, dentro describiremos los tipos de canales hidraulicos destinados al riego y distribución de las aguas, además de cómo calcular sus caudales, tipos de secciones. CONCEPTOS BÁSICOS Velocidad mínima. El diseño de canales, recubiertos o no, que conducen agua con material fino en suspensión, debe considerar que la velocidad media del flujo, para el caudal mínimo de operación, sea mayor o igual que la necesaria para evitar la sedimentación del material transportado. Velocidad máxima. La velocidad máxima de operación en canales, con o sin recubrimiento de superficie dura, que conducen agua limpia o material en suspensión debe limitarse para evitar el socavación o erosión continua del fondo y paredes por turbulencia, abrasión o eventualmente cavitación. Taludes. Se refiere a la inclinación que poseen las paredes laterales del canal y las cuales se expresan en forma de proporción. La forma más usada en canales es la trapecial, con taludes que dependen del terreno en el cual el canal será excavado. Borde libre (e). Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. En la práctica, en tanto no se tengan valores específicos, es recomendable usar: e=1/3 d para secciones sin revestimiento y e = 1/6 d para secciones revestidas; donde d es el tirante del canal en metros. Pero siempre manteniendo un bordo libre mínimo de 10 cm. Sección hidráulica óptima. La capacidad de conducción de un canal aumenta con el radio hidráulico y varía inversamente con el perímetro mojado. Desde el punto de vista hidráulico, para un área dada, la sección más eficiente es aquella que tiene el mínimo perímetro. Sin embargo, la relación ancho basal/ profundidad quedará determinada por un estudio técnicoeconómico. Las secciones que presentan la menor superficie mojada son las siguientes: Rectangular: h La base de doble longitud que la altura. b b=2·h Trapecial:
La base superior (medida en la superficie del agua) es el doble longitud que la superficie mojada en los muros laterales. B=2·t Triangular: La base del triangulo es el doble de la altura = 90º B = 2· h Semicircular: Cualquier medida del radio (r) TIPOS DE CANALES Canales revestidos El revestimiento de un canal satisface uno o varios de los objetivos que a continuación se mencionan: a) Permitir la conducción del agua, a costos adecuados y velocidades mayores, en áreas de excavación profunda o difícil corte. b) Disminuir la filtración y fugas de agua a través del cuerpo del canal y evitar el anegamiento u obras de drenaje costosas en terrenos adyacentes. c) Reducir y homogeneizar la rugosidad, con ello las dimensiones de la sección y los volúmenes de excavación. d) Asegurar la estabilidad de la sección hidráulica y proteger los taludes del intemperismo y de la acción del agua de lluvia. e) Evitar el crecimiento de vegetación y reducir la destrucción de los bordos por el paso de animales. f) Reducir los costos anuales de operación y mantenimiento. De acuerdo con lo anterior, un buen revestimiento debe ser impermeable, resistente a la erosión, de bajo costo de construcción y mantenimiento, y durable a la acción de agentes atmosféricos, plantas y animales. En rigor, hasta los canales revestidos de concreto pueden ser erosionados por el flujo si se rebasa su resistencia a la erosión o se producen otros fenómenos más complejos como son la cavitación, que puede dislocar e incluso destruir el revestimiento. Sin embargo, losrevestimientos de concreto amplían el intervalo de resistencia a la erosión y proporcionan un mejor desempeño hidráulico. TIPOS DE REVESTIMIENTO Los revestimientos en un canal se construyen de varios tipos de material. El llamado de superficie dura puede ser a base de concreto simple, reforzado o lanzado a alta presión, de concreto asfáltico, de mampostería (piedra, ladrillo, bloques prefabricados, etc). En general, dichos materiales satisfacen todos los propósitos antes expuestos y ofrecen gran resistencia a la acción erosiva del agua. Otros revestimientos son a base de materiales granulares, como arcilla, tierra compactada o grava, que ofrecen menor
resistencia a la erosión, pero superpuestos o no, sobre una membrana impermeable, disminuyen de modo importante las pérdidas de agua por infiltración. Velocidad Mínima. En general, para evitar el depósito de materiales en suspensión se recomienda diseñar un canal revestido con una velocidad mínima aceptable del orden de 0.4 a 1.0 m/s. Velocidades Máximas. En revestimientos no armados, para evitar que los revestimientos se levanten por sub-presión, se recomiendan velocidades menores de 2.5 m/s. Si el revestimiento cuenta con armadura la velocidad deberá limitarse en función de la erosión probable. CANALES NO REVESTIDOS El cuerpo de éste tipo de canales y de los ríos se forma de materiales con partículas de forma, tamaño y propiedades diferentes, que varían desde grandes piedras a material coloidal. Según sea la intensidad del flujo, el material no siempre es capaz de resistir la fuerza de arrastre generada por el agua, que crece conforme aumenta la velocidad. Este aumento de velocidad, generalmente asociado a un incremento de pendiente, puede producir arrastre del material y su posterior depositación en las zonas donde disminuye la velocidad, lo que puede favorecer la inundación de terrenos adyacentes por una disminución de su capacidad hidráulica de conducción. Cuando no hay revestimiento y el material que se excava es erosionable, las dimensiones de la sección se eligen para evitar la erosión y la sedimentación apreciable, es decir, se buscará impedir el arrastre producido por el flujo en cualquier condición de operación para que el canal sea funcionalmente estable. Esto significa que es más importante que el canal mantenga su sección en equilibrio dentro de los intervalos de fluctuación del gasto, que cualquier otra condición de eficiencia hidráulica, económica o constructiva. Un canal no se reviste cuando el material del lecho reporta poca perdida de agua, generalmente en suelos arcillosos, para los que pueden ser suficientes, una vez conformada la sección, la compactación de su plantilla y taludes. Velocidad Máxima. Para éste tipo de canales, es básico determinar la sección con la cual es posible conducir el gasto de diseño, sin erosión del lecho, a una velocidad igual a la máxima permisible. Esta velocidad es incierta ya que los lechos en uso soportan, sin erosión, velocidades mayores a los recién construidos. MEDICIONES DE CAUDAL El caudal Q, se define como el volumen de agua V, que pasa por una sección determinada en un cierto periodo de tiempo t es decir: Esta ecuación se encuentra en unidades de volumen/tiempo, generalmente expresada en m3/hora o lts/seg.
MÉTODO ÁREA-VELOCIDAD En este método se utiliza la ecuación de continuidad. El caudal en una sección transversal de área A está dado por: En donde la integral se aproxima sumando los caudales incrementales calculados para cada medición i, i = 1,2,…,n, de velocidad i V y profundidad Di. Las mediciones
representan valores promedio a lo largo de un ancho i Dw del cauce, luego el caudal se calcula como: Por su parte, la velocidad Vi, en un punto se puede medir, con alguno de los siguientes dispositivos: flotador y reloj, molinetes y sensores de inducción magnética. El método utilizado en nuestra medición se basó en el flotador-reloj. Con el flotador y el reloj se toman lecturas del tiempo que recorre un cuerpo que avanza flotando sobre el agua. Procedimiento * Se elige un tramo del cauce, de sección uniforme, recto y libre de obstáculos. * Sobre él se marcan dos puntos separados a lo menos 10 metros. * En los puntos elegidos se tiende, transversalmente una cuerda o varilla que sirve de referencia para medir el tiempo que un flotador demora en recorrer esa distancia. * Colocar el flotador sobre la superficie del agua, en el eje del cauce, algunos metros aguas arriba de la primera referencia. * Iniciar el conteo del tiempo cuando el flotador pase por la primera referencia. * Detener cuando el conteo cuando el flotador pase por la segunda referencia. Se recomienda realizar varias mediciones para obtener una buena aproximación de la velocidad. La velocidad se calcula por la división entre la distancia recorrida por el flotador y el tiempo empleado en hacerlo. Es recomendable hacer varias determinaciones de la sección del canal. Para ello en varios puntos, entre ambas referencias, se mide transversalmente la profundidad y ancho del canal, obteniendo la sección promedio más representativa de la distancia. DISEÑO HIDRÁULICO Especificaciones técnicas de diseño del canal Un canal de desviación o llamada adecuado, según el terreno, debe conducir el gasto máximo a una velocidad máxima que no socave la estructura del canal. Obtenida la escorrentía máxima y la velocidad máxima permitidas, se determina el área mínima que deberá poseer la sección hidráulica, a partir de la cual, el canal podrá cumplir con las características de diseño señaladas. Máxima Velocidad del agua La máxima velocidad del agua, depende de la naturaleza del material, en el cual se construye el canal.
Velocidades máximas permitidas en canales. MATERIAL | VELOCIDAD MEDIA (m/s) | Suelo arenoso muy suelto | 0.30 - 0.45 | Arena gruesa o suelo arenoso suelto | 0.45 - 0.60 | Suelo arenoso mixto | 0.75 - 0.83 | Suelos franco de aluvión o ceniza volcanica | 0.83 – 0.90 | Suelo franco pesado o suelos franco arcilloso | 0.90 – 1.20 | Suelo arcilloso | 1.20 – 1.50 | Comglomerados, cementados, roca sedimentaria blanda. | 1.80 – 2.40 | Roca o manposteria | 3.00 – 4.50 | Hormigon | 4.50 – 6.00 | || Área mínima de diseño El diseño de un canal de llamada, requiere de una serie de iteraciones, a partir de una sección transversal del canal, la cual, como mínimo, debiera tener una superficie igual o mayor a la calculada según la Ecuación: Donde: Vmax: Máxima velocidad permitida, m/s. Qmax: Escorrentía crítica o gasto máximo de diseño, m3/s. DISEÑO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL Una vez conocidas las especificaciones de gasto máximo, máxima velocidad permitida y área mínima, se deberá realizar una serie de iteraciones, de sucesivas secciones transversales, a fin de encontrar aquella sección que sea capaz de trasladar de manera segura el caudal para el cual se diseña. Se debe considerar, para una misma sección transversal, aquélla capaz de trasladar un mayor caudal, es decir, la que posea el mayor radio hidráulico (proporción entre el área transversal Ac y el perímetro mojado). Para este fin se propone la metodología que se describe a continuación: a) Selección de área, para la primera iteración, se recomienda utilizar un área igual o superior al área mínima de diseño. b) Determinación de parámetros de la sección transversal base y taludes, según las condiciones del terreno. c) Cálculo de los parámetros de tirante del canal (d), longitud de la superficie libre del agua (S.L.A), taludes (Z), longitud de taludes inferior y superior (Linf y Lsup) y radio hidráulico (r). d) Asignación de la pendiente del canal (según las condiciones del terreno) y determinación de un coeficiente de rugosidad n. e) Cálculo del caudal y velocidad de transporte del canal.
f) Si el canal no satisface las especificaciones técnicas, se procede a un nuevo diseño, según las opciones: g) Modificación de la pendiente y luego se realiza nuevamente la prueba de control. h) Modificación de la sección transversal (se recomienda un aumento de un orden del 510% respecto a la última iteración), volviendo a la secuencia a partir del punto b de esta sección. CALCULO DE LOS COMPONENTES DE LA SECCION TRANSVERSAL Los datos de entrada para el diseño del canal, son los siguientes: Ac = Área de sección transversal del canal (Superior al área mínima). b = base del canal. Zinf = Talud inferior. Zsup = Talud superior. Área (Ac): Área de diseño; se recomienda utilizar como primera iteración el área mínima de diseño (Amín) o una levemente superior, y aumentar en cada iteración entre un 5 – 10 %, hasta encontrar el diseño adecuado. Base (b): Valor predefinido, normalmente igual a 0.2 m. Talud inferior y superior: Es importante en la determinación de los taludes del canal, que éstos sean adecuados para cada tipo de suelo o revestimiento, de modo que el canal no se erosione (Zinf. – Zsup.), teniendo cuidado de manera especial en obras de conservación desarrolladas en suelos de texturas livianas (arenosas), las cuales deben tener taludes mayores. Los taludes recomendados para la sección trapecial de un canal se muestran para los distintos tipos de suelos MATERIAL | TALUD (Z) | Roca sana | Vertical | Roca ligeramente alterada | 0.25 – 1 | Manposteria | 0.4 - 1 | Suelo endurecido duro, roca alterada | 1.00 - 1 | Hormigon | 1:1 o 1.25:1 | Tierra arcillosa, Suelos endurecidos blandos, arenisca blanda, etc. | 1.5:1 | Materiales poco estables, arena tierra arenosa, etc. | 2.0:1 | SECCION TRANSVERSAL TIPO donde: y = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal b = base del canal o ancho de solera T = espejo de agua o superficie libre de agua H = profundidad total del canal H-y = borde libre C = ancho de corona θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la ho
CAPACIDADES DEL CANAL Una vez diseñada la sección transversal del canal, es asignada una pendiente para el canal, y se determina el coeficiente de rugosidad del canal que corresponde a las condiciones de terreno Valores de n para fórmulas de Manning se obtienen de la siguiente tabla: Con estos valores se calcula la velocidad y el caudal que transportará el canal por medio de las ecuaciones de Manning descritas a continuación: Donde: V = Velocidad media del agua en el canal, m/s. Qc = Caudal del canal, m3/s. n = coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional. r = radio hidráulico (área transversal del canal, m2). s = pendiente del canal, adimensional Ac = Área del canal, m2 (Amín = 3). Ejemplos de formulas de mannig PRUEBA DE CONTROL DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CANAL. Obtenidos los valores del caudal y velocidad se verifica si el diseño del canal se encuentra realizado en concordancia con las especificaciones técnicas. De no ser así, se deberá realizar un nuevo diseño (modificando la pendiente y/o la sección transversal), que deberá someterse nuevamente a verificación, y así sucesivamente hasta encontrar el diseño adecuado. Cálculo de la velocidad de una canal según Manning: CONDICIONES TECNICAS De esta forma el diseño de un canal deberá cumplir con las siguientes especificaciones: . Área del canal, sea mayor o igual que el área mínima (A mín = Qmáx/Vmáx en donde Qmáx = gasto máximo; y Vmáx: Velocidad máxima permitida): . Gasto máximo (Qmáx), sea menor que el caudal Qc determinado para el canal diseñado: . La velocidad del flujo del canal, sea menor que la velocidad máxima permitida según las características del canal diseñado (Vmáx):
Obra hidráulica Se entiende por obra hidráulica o infraestructura hidráulica a una construcción, en el campo de la ingeniería civil, donde el elemento dominante tiene que ver con el agua. Se puede decir que las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa. Generalmente se consideran obras hidráulicas:
Canales, que pueden constar de diversos elementos como por ejemplo:
Bocatomas de derivación.
Compuerta de entrada.
Controles de nivel del agua en el canal.
Ver Compuerta AMIS, estas se utilizan para controlar el nivel del agua en estanques y canales aguas arriba de la compuerta.
Ver Compuerta AVIS, se utilizan para controlar el nivel del agua en canales aguas abajo de la compuerta.
Dispositivos para la medición del caudal.
Dispositivos de seguridad.
Balsa de agua, considerando las construidas artificialmente.
Cruces:
Canal de riego con dren --> puente canal
Canal de riego o de drenaje con caminos rurales --> alcantarilla o puente.
Clasificación de canales [editar ] Canales naturales[editar ] Artículo principal:
Canal natural.
Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se encuentren en la montaña o en la planicie. Algunos canales permiten la navegación, generalmente sin necesidad de dragado. Los canales naturales influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas com o canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y
experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica.
Canales de riego[editar ] Artículo principal:
Canal de riego.
Éstos son vías construidas para conducir el agua hac ia las zonas que requieren complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno.
Canales de navegación[editar ] Artículo principal:
Canal de navegación.
Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que normalmente conecta lagos, ríos u océanos.
Bocatoma
Torres de captación de agua, en el interior del embalse de Hoover.
Bocatoma desde un río 05°09′28″S 80°36′59″O.
Una bocatoma, o captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar desde unos cursos de agua, río, arroyo, o canal; o desde un lago; o incluso desde el mar, una parte del agua disponible en esta, para ser utilizada en un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego,generación de energía eléctrica, acuicultura, enfriamiento de instalaciones industriales, etc. Tradicionalmente las bocatomas se construían, y en muchos sitios se construyen aun, amontonando tierra y piedra en el cauce de un río, para desviar una parte del flujo hacia el canal de derivación. Normalmente estas rudimentarias construcciones debían ser reconstruidas año a año, pues las avenidas las destruían sistemáticamente. Las bocatomas construidas técnicamente constan en general de las siguientes partes:
Compuerta de control y cierre de la compuerta;
Dispositivo para medir los niveles, aguas arriba y aguas abajo de la compuerta de control. Estos pueden ser simples reglas graduadas o pueden contar con medidores continuos de nivel y trasmisores de la información al centro de operación, el que puede contar con mecanismos para operar a distancia la compuerta;
Si se encuentran en ríos y arroyos, generalmente constan también de:
Un vertedero para fijar la sección del curso de agua, tanto planimétricamente, como en cota, evitando de esta forma la migración del curso de agua en ese punto y su socavación, lo que podría dejar la bocatoma inoperante;
Un canal de limpieza, provisto de compuertas, para permitir el desarenamiento de la aproximación a la bocatoma.
Frecuentemente se completa la bocatoma con una reja y un desarenador , para evitar que el transporte sólido sedimente en el canal dificultando los trabajos de mantenimiento del mismo.
Compuerta Compuerta puede referirse a:
Compuerta lógica o puerta lógica, dispositivo electrónico que es la expresión física de un
operador booleano en la lógica de conmutación.
Compuerta hidráulica , dispositivo hidráulico - mecánico destinado a regular el flujo de agua u otro
fluido en una tubería, en un canal, presas , esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica.
CANALES
Los canales se pueden clasificar según el uso final que tengan: canales para agua potable, riego, drenaje, energía hidroeléctrica, etc. Los canales tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios para cubrir la demanda. En general, el canal de aducción en una cuenca de montaña, es la obra que requiere las mayores inversiones comparando con las demás obras civiles de un sistema hidráulico, ya que debido a su longitud y condiciones topográficas, los volúmenes de excavación, materiales de construcción, etc. superan en general al resto de obras civiles (obra de toma, cámara de carga o tanque de almacenamiento). En muchos casos el costo de inversión del canal será fundamental para establecer la viabilidad de un proyecto. 1. Sección efectiva de un canal:
Un canal puede adoptar diferentes formas desde trapezoidal hasta rectangular (pasando por formas poligonales, parabólicas, semicirculares, etc.). Los canales en zonas de montaña se construyen generalmente de formas trapezoidales y rectangulares, los primeros en suelos con menor estabilidad relativa y los segundos en suelos con mayor estabilidad relativa o en suelos rocosos. Un canal trapezoidal es caracterizado por la siguiente relación hidráulica:
Donde: b = Ancho de la solera h = tirante m = inclinación del talud, m = a/h
Figura 1.1
Se recomienda mantener el valor de ß entre 2.2 a 5, lo cual permite incremento de los volúmenes de excavación entre 2 a 3 %, en comparación a una sección hidráulicamente económica. 2. Diseño hidráulico de un canal:
Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección, embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos de operación o seguridad. La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula desarrollada por Chezy:
Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción: Donde: v Velocidad media de flujo en m/s C Coeficiente de Chezy R Radio hidráulico en m I Pendiente hidráulica Q Caudal en m 3/s A Area efectiva en m 2 El caudal Q manifiesta la capacidad de conducción, la pendiente hidráulica del canal que será función de las condiciones topográficas podrá estar asociada al mismo tiempo a las velocidades límites; éstas se establecerán con base en las características del material que conforme el perímetro mojado y tomará en cuenta la probabilidad de erosión y sedimentación. Según Manning-Strickler, el coeficiente de Chezi adquiere la siguiente forma: donde: Ks coeficiente de fricción de Manning-Strickler R Radio hidráulico en m Por lo que la capacidad de conducción del canal se podrá expresar por medio de la fórmula siguiente: El coeficiente de fricción de Manning-Strickler dependerá del tipo de material que conforma el perímetro mojado, del caudal y de las características morfológicas del canal. La influencia de la rugosidad será mayor para caudales menores, reduciéndose en función de su incremento. Por otra parte, la configuración en planta también tendrá efectos sobre la rugosidad, siendo mayor para trayectorias con numerosos curvas y
cambios de sección, sin embargo esta influencia en la práctica solo es posible determinar mediante mediciones en canales ya construidos. Para el diseño se deberá adoptar valores de Ks mediante una asociación entre los materiales que se utilizarán para conformar el perímetro mojado y los valores obtenidos de mediciones in situ y en laboratorio para materiales similares. En la tabla 2.1 se muestra algunos valores que pueden servir de referencia.
Tabla 1.1 - Valores de ks según Press-Bretchneider MATERIAL
CLASE, FORMA, ESTADO
Ks en m1/3 /s
Madera
Tablas cepilladas Tablas no cepilladas Canales antiguos
85 a 90 75 a 85 65 a 70
Canales nuevos y lisos
90 a 95
Canales revestidos de asfalto
70 a 75
Canales de hormigón asfáltico
72 a 77
Con acabado liso Hormigón c/encofrado metálico Hormigón c/encofrado de madera Hormigón bien acabado Hormigón vibrado Acabado ordinario Galerías con cuidadoso acabado
100 90 a 100 65 a 70 90 60 a 70 50 a 55 85 a 95
Galerías con acabado ordinario
70 a 80
Mampostería ladrillo bien ejecutado
75 a 80
Mampostería normal
60 a 70
Piedra natural Sillería Mampostería cuidadosamente tratada Mampostería normal Mampostería ordinaria Taludes de mampostería,
70 a 80 70 60 50
Asfalto
Hormigón
Fábrica
adoquinados, con solera de arena o grava
45 a 50
Tierra
Material duro, liso Material duro, fino Grava fina a mediana Grava gruesa Barro con torrones Con piedras gruesas
60 50 40 a 45 35 30 25 a 30
Canales de tierra, mucha vegetación
20 a 25
El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo, de manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e. Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G. Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India, la misma que se expresa de la siguiente manera:
Donde: v0 Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en pies/s y Tirante de agua, en pies C Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal, que King asocia al grado de finura de las partículas del suelo. Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen, ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base de mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los rangos de validez de las mismas y de las características particulares de los canales que sirvieron de modelo. La velocidad mínima permisible, vn.s., que evite la sedimentación de partículas sólidas, puede determinarse utilizando la fórmula empírica de I.I. Levy:
Donde: w Velocidad de caída de una partícula de diámetro dav en mm/s dks Diámetro característico de las partículas en suspensión en mm. R Radio hidráulico del canal en m. n Coeficiente de rugosidad del perímetro mojado del canal. Girshkan propone la siguiente fórmula:
Donde: F Coeficiente igual a: 0.33 para w = 1.5 mm/s 0.44 para w = 1.5 - 3.5 mm/s 0.55 para w > 3.5 mm/s Q Caudal en m3/s La velocidad límite o velocidad mínima que debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal, puede entenderse también como las capacidad del flujo de transportar una determinada cantidad de sólidos suspendidos en el agua. Bajo este concepto se aconseja utilizar la fórmula semi-empírica de E.A. Zamarín.
m Concentración de sedimento en kg/m3 de agua v Velocidad de flujo en m/s w Velocidad de sedimentación en mm/s R Radio hidráulico en m. I Pendiente hidráulica En el canal no se presentará sedimentación de sólidos en suspensión si la capacidad de transporte m es mayor que la concentración manifestada por la turbiedad del agua. Por otro lado es importante analizar las condiciones de flujo desde el punto de vista de las posibilidades de erosión y/o socavación, en este caso las magnitudes de control se manifiestan en términos de velocidad máxima o tensión de corte máxima . Para solera móvil, la velocidad admisible de flujo es dependiente del diámetro de los granos que componen la solera y del tirante hidráulico. A.M. Latyshenkov y B.I. Studennichnikov la fórmula empírica siguiente:
Donde: vn.e Velocidad máxima permisible en m/s para la que no se presentaría erosión en el perímetro mojado F Coeficiente r Exponente dk Diámetro característico del material de la solera en mm. n Exponente Para dk < 1-10 mm F = 5, r = 0.3, n = 0.2 Para dk > 1-10 mm. F = 3.6, r = n, n = 0.25 Los sedimentos en suspensión reducen la acción erosiva del agua y según B.I. Studennichnikov, la velocidad máxima admisible puede ser afectada por un término dependiente de la turbiedad del agua, a saber:
Donde: v'n.e. Velocidad máxima admisible para flujo con material en suspensión en m/s. vn.e. Velocidad máxima admisible para flujo de agua limpia en m/s. m Turbiedad del agua en kg/m3 En la tabla 8.2 se muestran valores de la máxima velocidad permisible del flujo para diferentes tipos de materiales rígidos, considerando que el flujo es libre de arena gruesa y guijarros. Tabla 1.2 - Velocidad de flujo permisible vn.e en m/s para escurrimiento sin erosión TIPO DE MATERIAL
Tirante h en metros
0.5
1.0
5.0
Roca (sedimentaría e ígnea)
1.7-6.3
2.1-7.7
3 - 11
Canal de madera
26 - 29
28 - 32
34-38
Revestimiento de concreto
9.6 -15.6
10.6 17.3
Revestimiento/mampostería de piedra
4.3 -7.4
-
13 -21.2 6.7 -11.6
5 - 8.7
Azevedo Netto-G.A. Alvarez plantean los siguientes valores:
Tabla 1.3 - Velocidad de flujo permisible para escurrimiento sin erosión. MATERIAL
vn.e. (m/s)
Canales arenosos Arcilla arenosa Materiales aglomerados consistentes Muro de piedra Canales en roca compacta
0.30 0.40 2.00 2.50 4.00
Canales de concreto
4.50
El U.S. Bureau of Reclamation publicó en 1925 un cuadro realizado por Fortier y Acobey (13) en el que se presenta valores de velocidad y tensión de corte máximas, para canales de pequeña pendiente y tirantes menores a 0.91 m. (Tabla 2.4). Tabla 1.4 - Valores admisibles de la tensión de corte y velocidad media de flujo según Fortier y Acobey MATERIAL
Ks m1/3 /s
Agua clara
v m/s
Agua c/limo
o kg/m
v m/s
o
kg/m
Arena fina * Greda arenosa ** Greda limosa ** Limo aluvial ** Greda común firme Arcilla dura *** Limo aluvial *
50 50 50 50 50 40 40
0.46 0.53 0.61 0.61 0.76 1.14 1.14
0.13 0.18 0.23 0.23 0.37 1.27 1.27
0.76 0.76 0.91 1.07 1.07 1.52 1.52
0.37 0.37 0.54 0.73 0.73 2.24 2.24
Grava fina
50
0.76
0.37
1.52
1.56
* Coloidal, ** No coloidal, *** Muy coloidal 3. Secciones del canal en terrenos empinados:
El trazado de un canal en terrenos de fuerte pendiente requiere de cuidados especiales, para evitar excesivos volúmenes de excavación y obras complementarías. En zonas con pendientes no pronunciadas y estables, el canal puede desarrollarse por medio de secciones de corte total o secciones combinadas corte-relleno (fig. 2.2 a y b). En los sectores empinados y estables resultará conveniente incorporar un muro en el sector exterior (fig. 2.2 c,f). En terrenos de mayor pendiente, el diseño encontrará mayor complicación, ya que la topografía ofrece condiciones menos favorables, sin embargo pueden considerarse las recomendaciones de M. Grishin. En sectores descubiertos o desnudos convendrá el corte parcial y construir un muro de retención en el sector exterior. Si el terreno cuenta con un estrato aluvial o de suelo menos estable, se incorporará un muro de protección en el sector interior sobre el talud del canal para asegurar la estabilidad del estrato y evitar el ingreso de grandes cantidades de sedimento (fig. 2.2 e). Otra variante será la construcción de una cubierta superior (o tapa) de hormigón armado, principalmente en sectores con suelos que presenten avanzados procesos de erosión laminar. En estos casos conviene dotar a la superficie exterior de la cubierta de una rugosidad mayor a la rugosidad del medio físico; con esta medida se evitará la aceleración del flujo que se desarrolle en época de lluvias y por lo tanto se reducirán las posibilidades de erosión local.
Figura 1.2 - Algunas posibilidades de sección de canal (M. Grishin) En sectores rocosos con taludes de gran pendiente, el canal podrá formarse por medio de un túnel parcial (fig. 8.2 d); en este caso convendrá enlucir el perímetro de manera de reducir la rugosidad y las pérdidas por infiltración. Dependiendo del estudio geológico y topográfico, se podrá considerar como variante la construcción de un túnel, para evitar el paso de tramos deleznables y reducir la longitud del canal. La construcción de un túnel es aplicable cuando representa una solución más económica y de mayor estabilidad en comparación con un canal abierto. En los casos de taludes de 45∞ o más, los volúmenes de excavación alcanzarán magn itudes tan grandes, que resultará más económico construir un túnel. De igual modo será aplicable cuando se quiera superar una loma muy pronunciada, construyendo un túnel que la atraviese de un lado a otro. Por lo general, un túnel resulta una solución obligada y se aplica en los casos en los que no es posible la construcción de un canal, ya que los costos de construcción serían mayores. El diseño de un canal incorporará las medidas necesarias para evitar la sobresaturación de los taludes aledaños por efecto de precipitación pluvial, entre otras se puede mencionar el sistema de drenaje conformado por canales recolectores y alcantarillas, que se encargará de conducir las aguas pluviales hacia cursos de agua cercanos. En la medida de lo posible, se complementará con medidas que permitan la protección de los suelos en los sectores contiguos al canal por medio de medidas biológicas (cobertura vegetal), combinadas con aplicaciones artificiales de protección adicional como por ejemplo malla alveolar de geotextil. Fortier y Acobey obtienen conclusiones de la observación de un gran número de canales, que será importante considerar, a saber: - El material de los sedimentos asentados en los canales, tienen diferentes tamaños, de manera que las partículas pequeñas rellenan los intersticios, conformando una capa más densa y estable. Los coloides presentes en el material sedimentado, tienden a cementar
las partículas de arcilla, cieno, arena y grava, incrementado la resistencia a la erosión hídrica. - Los canales de riego se calculan para las condiciones de velocidad admisible, en el entendido que el caudal máximo de flujo se alcanzará de manera gradual, al incrementarse paulatinamente la demanda de agua de las zonas de riego. Durante este período el perímetro mojado se irá asentando, incrementado la resistencia a la erosión. - Los canales para centrales hidroeléctricas probablemente trabajen con el caudal máximo de proyecto en un corto tiempo, por lo que será conveniente aplicar una velocidad de diseño más conservadora. - Se recomienda en canales nuevos, controlar el escurrimiento en velocidades menores a la máxima admisible, por medio de las compuertas de control. 4. Obras complementarias:
La presencia de depresiones, cursos de agua o accidentes topográficos, incorporan condiciones límites especiales y particulares a un canal, de manera que será necesario considerar elementos complementarios, que permitan superar estos obstáculos. 4.1 A c u e d u c t o s :
Los acueductos son estructuras que tiene la función de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento. Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente. Los materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas. El acueducto servirá entonces para vencer algún accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales.
Figura 1.3 - Esquemas un acueducto Es importante considerar también las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrán coincidir con las secciones indicadas. 4.2 Sifones:
Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.
Figura 1.4 - Esquema de un sifón invertido superficial El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán bajo presión.
Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada. El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.
Figura 1.5 - Transiciones de entrada y salida El área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del conducto; Zurita considera los siguientes valores: - Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s - Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema. El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible.
Transiciones:
Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montaña se pueden mencionar a las caídas y las rápidas.
Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las características topográficas. De igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras especificas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras.
Figura 1.6 - Algunos tipos de transiciones
Tanq ues d e agua y c ám aras d e carg a:
La estructura de aducción de un sistema hidráulico se conectará a un tanque de agua en los casos en que sea necesaria la regulación de los caudales, como es el caso de los sistemas de agua potable. Sin embargo se utilizan tanques de regulación también en microsistemas de riego. Mediante la construcción de tanques de almacenamiento se logra compensar las variaciones de la demanda durante el día, mantener las presiones establecidas para la red y situaciones eventuales de emergencia. Estos aspectos asociados a las características hidrológicas de la fuente de captación, determinarán la capacidad necesaria y las dimensiones del tanque o del sistema de tanques, si se decide utilizar dos o más tanques de almacenamiento.
Figura 1.7 - Esquemas de un tanque de almacenamiento Los tanques de almacenamiento en cuencas de montaña se construyen en general directamente sobre la superficie del suelo, pudiendo construirse de mampostería de piedra, mampostería de ladrillo, hormigón armado u otro material. Los accesorios principales que se consideran en un estanque de almacenamiento son: - Canal o tubería de llegada.- Según el tipo de aducción adoptado para el
sistema. - Canal o tubería de salida.- Según las consideraciones establecidas para la
distribución del agua. En el caso de agua potable se realizará por medio de una tubería, pero para sistemas de riego podrán presentarse ambos casos. - Tubería o canal de limpieza.- Según las condiciones de limpieza establecidos. Para tanques pequeños y medianos es usual el empleo de tuberías de limpieza. - Tubería o vertedero de excedencias.- Según los caudales a evacuar. En tanques pequeños y medianos es frecuente el empleo de tubería. - Ventilación.- Los tanques se almacenamiento cerrados deberán disponer de un medio de ventilación, que en general podrá ser una o más tuberías, que permita el ingreso de aire y que evite al mismo tiempo el ingreso de insectos y otros animales.
Figura 1.8 - Detalles de accesorios en tanques de almacenamiento Las cámaras de carga, en general se aplican a sistemas hidroeléctricos como estructuras de transición entre el canal de aducción y la tubería de presión. Estos tanques tienen limitadas condiciones de regulación, debido fundamentalmente a los caudales que se utilizan en las turbinas, lo cual no permite aprovechar el volumen de este tanque para el almacenamiento de agua, aunque es posible que se presenten casos de tanques de carga que trabajen como reguladores horarios, como es el caso de los sistemas que utilizan pico-turbinas.
Figura 1.9 - Esquema de una cámara de carga Una cámara de carga cumple dos funciones principales, a saber: como estructura de transición entre el sistema de aducción y la tubería de presión y como elemento regulador del nivel de carga sobre la turbina.
Estas funciones deben tomarse en cuenta en el diseño, logrando geometrías que permitan el paso del agua con un escurrimiento que desarrolle velocidades que se incrementarán gradualmente hacia la tubería en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques contra las paredes y cambios bruscos de dirección. La regulación del nivel de carga se logrará por medio de un vertedero de excedencias con capacidad de evacuación igual o mayor al caudal de aducción. En las cámaras de carga es importante el control de la formación de vórtices en un sector cercano al ingreso a la tubería de presión. La altura mínima entre el eje de ingreso a la tubería y el nivel de agua en la cámara se podrá calcular por medio de la expresión recomendada por Gómez-Navarro:
Donde: Hmin Altura mínima de agua sobre el eje de la tubería en [m]. v Velocidad media en la tubería de presión en [m/s]. D Diámetro interno de la tubería en [m]. Para evitar la formación de vórtices es recomendable incorporar un elemento flotante a manera de una rejilla de madera, que logra romper la tensión superficial por el constante choque de las láminas de agua contra los elementos de la rejilla.
