COEFICIENTES DE RUGOSIDAD PARA CANALES La rugosidad de las paredes de los canales y tuberías es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso. Los valores son determinados en mediciones tanto de laboratorio como en el campo. No es significativa, como se puede ver a continuación, la variación de este parámetro es fundamental para el cálculo hidráulico por un lado, y para el buen desempeño de las obras hidráulicas por otro. 1. COEFICIENTES PARA LA FÓRMULA DE BAZÁN Para la fórmula de Bazán los valores son: Clase
1
Naturaleza de las paredes
Canales con paredes de hormigón alisado con mortero
Canales con paredes de madera cepillada sin rajaduras
Canales con paredes de acero
m
0,06
Con largos trechos rectos y curvas amplias 2
Tuberías de fibrocemento nuevo
Ídem pero con curvas no muy amplias y bien ejecutadas
0,10
Canales con paredes de hormigón alisado con mortero pero no totalmente lisas, pequeñas salientes en las juntas
3
5
Canales con paredes de madera cepillada con algunas rajaduras
Canales revestidos con ladrillos y piedras cuadradas
Tuberías de hierro fundido nuevas
Tuberías de hormigón bien alisado, diámetros mayores a 40 cm.
Tuberías en hierro fundido, en servicio corriente de cualquier diámetro.
Canales de concreto paredes no alizadas, con marcas dejadas por el encofrado
Canales con paredes de madera, con tablas poco alizadas, y ranuras entre las
0,16
0,23
tablas 6
Canales de tierra, construcción bien acabada
0,36
Las curvas de los canales son bastante amplias, agua no muy limpia y algunos depósitos de limo en el fondo
Tuberías de hierro fundido de muchos años de uso fuertemente incrustadas
7bis
Grandes canales con revestimiento en concreto mal acabado o deteriorado por el uso prolongado
0.58
9
1.00
Canales en tierra construcción bastante bien hecha, algunos depósitos de arena u
otro material menudo sobre el fondo y taludes lisos; o fondo sin depósito, y vegetación baja en las orillas
Canales con márgenes en ladrillo o piedra en malas condiciones y fondo fangoso
Canales de tierra en completo abandono, con vegetación o con cascajo grueso en
12
2.50
el fondo
Cursos de agua naturales en terrenos terroso
Si se considera un canal de concreto, bien construido y con revestimiento nuevo, (por ejemplo sea un canal rectangular de 5 m de base y con un tirante de i m de agua) y se vuelve a analizar el mismo canal después de años de uso, sin un adecuado mantenimiento, su rugosidad podría fácilmente pasar de la clase 1 a la clase 7, lo que significaría que el canal podría transportar solamente el 32 % de su capacidad potencial, si estuviera en óptimas condiciones. Estos aspectos deben ser considerados cuande se analizan posibles variantes de proyectos hidráulicos de grandes dimensiones desde el punto de vista de los impactos ambientales tenciales. 2. COEFICIENTE M PARA LA FÓRMULA DE KUTTER Para la fórmula de Kutter los valores son: lase
Naturaleza de las paredes
m
1
Canales con paredes de cemento, muy buen acabado, sección semicircular
0.12
2
Canales con paredes de cemento, muy buen acabado, sección rectangular
0.15
3
Tubos en hierro fundido nuevos, o de cemento bien alisados, con diámetro de por lo menos algunos decímetros
0.175
6
Tubos en hierro fundido, en uso corriente, (hasta dos años de funcionamiento), aguas limpias y de baja dureza.
0.275
7
amplitud, agua no muy limpia, depósitos de limo
8
9
15
1.00
Canales de tierra en completo abandono, con vegetación o con cascajo grueso en el fondo
0.45
Canales con paredes de cemento o muros en albañilería revestida
Canales con paredes en albañilería en mal estado, fango en el fondo
0.375
Tubos de hierro fundido, en servicio desde muchos años, bastante incrustados, o con aguas sucias
0.35
Tuberías de Gres con varios años de uso, aguas turbidas o servidas
Tubos en hierro fundido, en uso desde varios años, aguas turbias
12
Canales con paredes de muros bien construidos, curvaturas de regular
Cursos de agua naturales en terrenos terroso
2.50
3. COEFICIENTE N PARA LA FÓRMULA DE MANNING: Clase Naturaleza de las paredes
n
1
Canal revestido con losas de hormigón, teniendo juntas de cemento lisas y limpias, y una superficie lisa fratasada a mano y con lechada de cemento sobre la 0.012 base de hormigón.
2
Canal de hormigón colocado detrás de un encofrado y alisado.
0.014
3
Zanja pequeña revestida de hormigón, recta y uniforme, con fondo ligeramente cóncavo, los lados y el fondo recubiertos con un depósito áspero.
0.016
4
Revestimiento con concreto arrojado sin tratamiento de alisado.
Superficie cubierta con algas finas y el fondo con dunas de arena arrastrada.
0.018
5
Canal de tierra excavado en arcilla limosa, con depósitos de arena limpia en el centro y barro arenoso limoso cerca de los lados.
0.018
6
Revestimiento de hormigón hecho sobre roca y lava cortada, en excavación limpia, muy áspera y pozos profundos.
0.020
7
Canal de riego, recto en arena lisa y apretada fuertemente.
0.020
8
Revoque o repello en cemento, aplicado directamente a la superficie preparada del canal de tierra. Con pasto en los lugares rotos y arena suelta en el fondo.
0.022
9
Canal excavado en arcilla limo arenosa. Lecho parejo y duro.
0.024
10
Zanja revestida en ambos lados y en el fondo piedra partida acomodada en seco. 0.024
11
Canal excavado en colina, con la ladera superior cubierta de raíces de sauces y la ladera inferior con muros de hormigón bien ejecutado. Fondo cubierto con grava gruesa.
0.026
12
Canal con fondo de guijarros, donde hay insuficiente sedimento en el agua, o velocidad muy alta que impide la formación de un lecho liso y nivelado.
0.028
13
Canal de tierra excavado en suelo arcillo-arenoso aluvial, con depósitos de arena 0.029 en el fondo y crecimiento de pastos.
14
Canal en lecho de guijarros grandes.
15
Canal natural algo irregular en sus pendientes laterales; con fondo algo uniforme, limpio y regular; en arcilla arenoso gris claro a limo gredoso de color marrón claro; 0.035 con poca variación en la sección transversal.
16
Canal en roca excavado con explosivos.
0.040
17
Zanja de arcilla y greda arenosa; pendiente lateral, fondo y secciones transversales irregulares, pastos en los lados.
0.040
18
Canal dragado, pendientes laterales y fondo irregulares en arcilla negra plástica en la parte superior y en el fondo arcilla, los lados cubiertos con pequeños arbolitos y arbustos, variación pequeña y gradual en la sección transversal.
0.045
19
Canal dragado, con pendiente lateral y fondo muy irregular, en arcilla plástica de color obscuro, con crecimiento de pasto y musgo. Pequeñas variaciones en la forma de la sección transversal para la variación en tamaño.
0.050
20
Zanja en arcilla muy arenosa; Lado y fondo irregulares; prácticamente toda la
0.060
0.030
sección llena con árboles de gran tamaño, principalmente sauces y algodoneros. Sección transversal bastante uniforme.
21
Canal dragado en arcilla resbaladiza negra y greda arcillo-arenosa gris, lados y fondo irregular recubierto con crecimiento denso de arbustos de sauces, algunos en el fondo; el resto de las laderas cubierto con pastos y crecimiento espaciado de sauces y álamos sin follaje; algún depósito en el fondo.
0.080
22
Igual que (21) pero con mucho follaje.
0.110
23
Canales naturales en crecida en arena fina media a arcilla fina, sin pendientes laterales; fondo adecuadamente parejo y regular con ocasionales hoyas planas; variación en profundidad; maderas prácticamente vírgenes, muy poco crecimiento 0.125 inferior excepto manchas densas ocasionales de ramaje y árboles pequeños, algunos troncos y árboles caídos muertos.
24
Rio natural en suelo de arcilla arenosa. Curso muy sinuoso, pendiente lateral irregular y fondo desparejo. Muchas raíces árboles y ramas, grandes troncos y otros residuos sobre el fondo. Hay árboles cayendo continuamente en el canal debido a la erosión de las márgenes.
0.150
4. COEFICIENTE K PARA LA FÓRMULA DE STRICKLER 5. Clase
Naturaleza de las paredes
K
A
Tuberías
.
.
bronce liso
77111
.
acero soldado
71100
.
acero remachado
59-77
.
hierro fundido, revestido
71100
.
hierro fundido, no revestido
63-91
.
hierro
67-83
.
hierro galvanizado
59-77
.
vidrio
77111
.
cemento alisado
77100
.
hormigón acabado
71-91
.
hormigón no acabado
63-83
.
gres
59-91
B
Canales revestidos
.
.
concreto sobre excavación en roca
45-59
.
piedra cementada
33-59
.
muro seco
29-43
.
asfalto
63-77
.
fondo con grava y paredes de hormigón
40-59
C
Canales no revestidos
.
.
en tierra con trazado regular
33-63
.
en tierra, sinuosos y lentos, sin vegetación
33-43
.
en tierra, sinuosos y lentos, con abundante vegetación
25-33
.
en roca con forma regular
25-40
.
en roca con forma irregular
20-29
.
en tierra, en mal estado y con abundante vegetación
8-20
D
Cursos de agua naturales
.
.
pequeños cursos de agua en zonas planas, limpios, rectos y sin estancamientos de agua
30-40
.
pequeños cursos de agua en zonas planas, limpios, sinuosos y con estancamintos de agua
22-30
.
tramos lentos, con vegetación (pastos) y estanques profundos
13-20
.
tramos con mucha hierba, estanques profundos, notablemente obstaculizados por árboles
7-13
.
ríos de montaña, con fondo de grava media y gruesa y pocas rocas, paredes 20-33 laterales poco inclinadas
.
ríos de montaña, con fondo de grava gruesa y rocas grandes, paredes laterales poco inclinadas
E
Áreas de expansión de cursos de agua
.
con pasto
20-40
.
con áreas cultivadas
20-50
.
con arbustos
14-29
.
con muchos árboles
8-13
F
Ríos grandes (ancho de la superficie del agua mayor a 30 m)
.
sección regular sin rocas o vegetación
17-40
.
sección irregular
10-29
14-25
6. N COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING. D75 Diámetro 75. Valor para el cual el diámetro del 75% de las partículas son menores, en mm.
Velocidades permisibles. Con el fin de disminuir el depósito de sedimentos y crecimiento de vegetación, la velocidad mínima en canales sin revestir, será de 0.40 m/s. Las velocidades máximas permisibles en este tipo de canales, en caso de no haber sido diseñadas por el método de la fuerza tractiva, serán las que se muestran en la tabla 2-5.
Área hidráulica adicional. Para prever la reducción del área hidráulica del canal por el depósito de azolves y el crecimiento de vegetación, se deberá incrementar el área hidráulica en función del gasto según la tabla 2-6.
B) CANALES REVESTIDOS El revestir un canal así como el tipo de revestimiento empleado, tierra compactada, asfalto, concreto, mampostería etc., deberá justificarse económicamente, ya sea por el volumen de agua de filtración ahorrada, ahorro en volúmenes de excavación, o por economías que pueden lograrse en los cargos por conservación o por una combinación de éstas. - Estabilidad de la sección y dimensionamiento. Se deberá asegurar la estabilidad de los taludes de la sección como se especifica en la sección tres, capítulo 2. Además, en el caso de canales trapeciales revestidos de concreto, la inclinación de los taludes deberá facilitar el colado del revestimiento. En este caso se recomiendan taludes con inclinación entre 1.25:1 y 1.5:1. Para el dimensionamiento de canales, deberá fijarse un ancho de plantilla mínimo que no represente problemas constructivos. En estos casos, el tirante deberá ser ligeramente menor que el ancho de la plantilla. En canales con gastos pequeños deberá buscarse que la sección propuesta sea lo más cercano posible a la sección de máxima eficiencia en función del talud determinado (ver tabla 2-7). Además de las consideraciones anteriores, se deberá realizar un análisis económico en cuanto a volúmenes de excavación para las secciones propuestas.
VER FIGURA 2-3
- Coeficientes de fricción. El cálculo hidráulico se deberá realizar con los lineamientos expuestos en el punto 2.4.2, con los coeficientes de rugosidad, n, que se muestran en la tabla 2-8.
- Velocidades permisibles. La velocidad en los canales revestidos no deberá ser menor de 60cm/s con el fin de evitar el desarrollo de vegetación y el depósito de sedimentos en el canal. La velocidad máxima no deberá ser mayor del 80% de la velocidad crítica de la sección, ni de los valores que se presentan en la tabla 2-9 para distintos materiales de revestimiento.
- Drenaje en canales revestidos. En canales revestidos donde el nivel de aguas freáticas pueda estar a la altura de la cubeta del canal, se deberán colocar filtros de grava y arena, en una zanja perimetral de 30 cm de ancho por 30 cm de profundidad. En este filtro se colocarán lloraderos de tubo de 6.35 cm de diámetro en ambos lados de la plantilla y en ambos taludes. Este sistema de drenaje se colocará espaciado a la misma distancia que las juntas transversales de ranura hechas en el revestimiento, cuando éste es de concreto. En otros tipos de revestimiento, el espaciamiento máximo será de 4.0m. Así mismo cuando sea necesario, se colocará un dren longitudinal con tubo de concreto de 15 cm de diámetro, colocado bajo la plantilla del canal. Cuando el canal sea excavado en roca, se harán perforaciones en el revestimiento y en la misma roca, con el diámetro antes mencionado y, con una profundidad de 90cm. la separación máxima será de 4.0m. - Bordo libre. Se deberá proteger la sección contra desbordamientos producidos por fluctuaciones en el tirante. Dicha protección en canales revestidos, constará de un bordo libre revestido y un sobrebordo, los cuales se determinarán con la figura 2-4.
Para canales revestidos de concreto, los valores del bordo libre y sobrebordo podrán ser los que se indican en la tabla 2-10.
El bordo libre en canales sin revestir, se obtendrá de la figura 2-4, correspondiente a la curva B.L. El bordo libre en canales rectos con régimen supercrítico se obtendrá con la siguiente ecuación: donde: B.L. Bordo libre, en metros v Velocidad del flujo, en m/s d Tirante, en m. En canales con curvas horizontales habrá que basarse en los resultados del diseño de acuerdo con lo especificado en el punto C del inciso 2.4.5.1. C) Alcantarillado y conductos cerrados - Determinación de la sección y pendiente adecuados.
Deberá seleccionarse la sección de las tuberías de manera que su capacidad permita que con el gasto de diseño, el agua escurra sin presión a tubo lleno y con un tirante mínimo para gasto mínimo que permita arrastrar las partículas sólidas en suspensión. Se empleará la fórmula de Manning para el diseño hidráulico de las tuberías. En la tabla 2-11, se presentan coeficientes de rugosidad “n” para diferentes materiales. En los casos en que la conducción sea un conducto cubierto construido en el lugar y no a base de tubería, como túneles u otras estructuras similares, los coeficientes de fricción empleados y el método de diseño serán los que se presentan en el inciso 2.4.3. El bordo libre en canales sin revestir, se obtendrá de la figura 2-4, correspondiente a la curva B.L. El bordo libre en canales rectos con régimen supercrítico se obtendrá con la siguiente ecuación: donde: B.L. Bordo libre, en metros v Velocidad del flujo, en m/s d Tirante, en m. En canales con curvas horizontales habrá que basarse en los resultados del diseño de acuerdo con lo especificado en el punto C del inciso 2.4.5.1. C) Alcantarillado y conductos cerrados - Determinación de la sección y pendiente adecuados. Deberá seleccionarse la sección de las tuberías de manera que su capacidad permita que con el gasto de diseño, el agua escurra sin presión a tubo lleno y con un tirante mínimo para gasto mínimo que permita arrastrar las partículas sólidas en suspensión. Se empleará la fórmula de Manning para el diseño hidráulico de las tuberías. En la tabla 2-11, se presentan coeficientes de rugosidad “n” para diferentes materiales. En los casos en que la conducción sea un conducto cubierto construido en el lugar y no a base de tubería, como túneles u otras estructuras similares, los coeficientes de fricción empleados y el método de diseño serán los que se presentan en el inciso 2.4.3.
