DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES
DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ABIERTOS
1. Generalidades: En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – – canal abierto o a presión -, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseño de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales, etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, etc.). Para el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el cual es un parámetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la disponibilidad del recurso Hidrico (hidrología), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo planta. De manera que cuando se trata de la – suelo – – planta. planificación de un proyecto de riego, la formación y experiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola. 2. Canales de riego por su función: 2.1. Canal de primer orden: llamado también canal madre o de derivación y se traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. 2.2. Canal de segundo orden: llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. 2.3. Canal de tercer orden: llamados también sub – – laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub – – lateral se conoce como unidad de rotación. 3. Elementos básicos en el diseño de canales: 3.1. Trazo de canales 3.1.1. Reconocimiento del terreno: se recorre la zona, anotando todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo. 3.1.2. Trazo preliminar: se procede a levantar la zona con herramientas topográficas, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito. 3.1.3. Trazo definitivo: con los datos del trazo preliminar se procede al trazo definitivo.
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES 3.2. Radios mínimos en canales: En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por un curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía. Tablas que indican radios mínimos, según el autor o la fuente:
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES 3.3. Elementos de una curva:
3.4. Rasante de un canal: para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: - La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo. - Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte. - La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno. - Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de revestimiento a proyectar o si va a ser en el lecho natural.
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES Sección típica de un canal
Dónde: T = ancho superior del canal b = plantilla z = valor horizontal de la inclinación del talud C = Berma del camino, puede ser: 0.5, 0.75, 1.00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. V = ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3, 4 y 6 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. H = altura de caja o profundidad de rasante del canal. 3.5. Diseño de secciones hidráulicas: se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal. Coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc. La ecuación más utilizada es la de Manning y su expresión es:
Dónde: Q = caudal (m3/s) n = Rugosidad
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES Área = área (m2) R = radio hidráulico = Área de la sección húmeda / perímetro húmeda
Criterios de diseño a. Rugosidad: esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal esta recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservara con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad
Características geométricas de canales:
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES b. Talud según el tipo de material: la inclinación de las paredes laterales de un canal, dependen de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados.
c. Velocidades maxima y minima permisible: La velocidad mínima permisible es aquella que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser muy exacto. Es por ello que el 0.8 m/s es tal vez un valor apropiado que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. La velocidad máxima permisible, se estima mediante experiencia local o el juicio del ingeniero, algunos valores sugeridos:
Para velocidades maximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; ademas un canal profundo conducira el agua a mayores velocidades sin erosion, que otros menos profundos.
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES d. Borde libre: 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 calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente formula:
Dónde: C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3/s., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/s. Y = tirante del canal en pies. La secretaria de recursos hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal.
Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES 1. CALCULOS HIDRAULICOS Y GEOMETRICOS:
Hacemos los cálculos para secciones de cada tramo comprobando asi que lo régimen de datos sean los adecuados para poder construir una buena obra, siguiendo una serie de pasos que en el transcurso de la carrera hemos aprendido. a. Tramo I: Datos:
1. Cota Inicial
: 322,062 msnm
2. Cota Final
: 321,696 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 140.05 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
:2
3
(arena)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
Como ya sabemos en canales se diseña con flujo SUBCRITICO , esto quiere decir que el número de Froude debe ser menor que la unidad (1). √ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo podemos decir que F < 1, por lo tanto es un FLUJO SUBCRITICO. b. Tramo II: Datos:
1. Cota Inicial
: 321,696 msnm
2. Cota Final
: 321,452 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 60.05 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
:2
3
(arena)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
√ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). c.
Tramo III: Datos:
1. Cota Inicial
: 321,452 msnm
2. Cota Final
: 321,101 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 160.04 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
: 1.5
3
(arcilla)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
√ ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄ √ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). d. Tramo IV: Datos:
1. Cota Inicial
: 321,101 msnm
2. Cota Final
: 320,700 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 160.05 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
: 1.5
3
(arcilla)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
√ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). e. Tramo V: Datos:
1. Cota Inicial
: 320,700 msnm
2. Cota Final
: 320,250 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 180.06 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
:
3
-
(roca)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
√ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). f.
Tramo VI: Datos:
1. Cota Inicial
: 320,250 msnm
2. Cota Final
: 319,909 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 140.04 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
:
3
-
(roca)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
√ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). g.
Tramo VII: Datos:
1. Cota Inicial
: 319,909 msnm
2. Cota Final
: 319,767 msnm
3. Caudal
: 4,74 m /s
4. Longitud
: 60,02 m
5. Base o Solera
: 3m
6. Rugosidad (n)
: 0.015 (revestimiento de concreto)
7. Talud (z)
:
3
3
(greda)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ⁄
√ √ ⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). h. Tramo VIII: Datos:
8. Cota Inicial
: 319,767 msnm
9. Cota Final
: 319,597 msnm
10. Caudal
: 4,74 m /s
11. Longitud
: 80,02 m
12. Base o Solera
: 3m
13. Rugosidad (n)
: 0.017 (sin revestimiento - tierra)
14. Talud (z)
:
3
1.5
(tierra)
Calculando la pendiente:
Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:
Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES
Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:
√ ⁄
√ √⁄ √ ⁄
Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1).
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
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