“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil “AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”
CATEDRA
: CHAVEZ LOPEZ, Mabel Alicia
INTEGRANTES
: ALANYA HUAMAN, David Erick ARÍZAPANA ESPEZA, Frank Leo CAMPOS MALLMA, Erick MALDONADO SANDOVAL, Efraín QUISPE QUISPE, Florentino Eduardo ROMERO VELIZ, Eduardo VARILLAS OLIVERA José Miguel
CICLO
: “I”
AULA
: A-5 HUANCAYO - PERÚ 2011: I
CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil
INTRODUCCIÓN Entre todos los recursos naturales, el más importante para el bienestar de la humanidad es el agua. Durante milenios constituyo un patrimonio enteramente disponible disponible del que los habitantes de la Tierra se servían despreocupadamente. Con el progreso surgieron los agrupamientos urbanos, cuyas múltiples actividades cada día exigen mayor cantidad de agua. El abastecimiento para suplir esta necesidad, se vuelve en extremoo complej extrem complejoo e impli implica ca facto factores res técnicos, sociales, sociales, económi económicos, cos, legales y polít políticos icos administrativos. En muchas ocasiones, el problema no se limita solamente al aprovisionamiento del agua para uso doméstico e industrial, sino que se extiende a la agricultura y a la ganadería, las que dependen de la cantidad cantidad y distribución distribución de las lluvias. El agua necesaria para satisfacer todas las exigencias del mundo moderno proviene de manantiales superficiales o subterráneos. Como el hombre se ha comportado generalmente como un elem elemento ento contra el orden del sistema natural, las aguas super superfici ficiales ales están casi totalmente contaminadas. El agua no se distribuye uniformemente en el tiempo y el espacio. A veces se encuentran grandes volúmenes lejos de los centros de población o cuando están próximas, pueden resultar resul tar impropias impropias para el consumo. A veces pequeños ríos tienen agua en condic condiciones iones satisfactorias, pero no son aprovechables porque en ciertas épocas del año, su flujo es nulo. La responsabilidad responsabilidad del control y dist distribuci ribución ón de las aguas normalmente normalmente compete a los gobiernos y las comunidades, pero los aspectos técnicos de estas actividades encajan dentro de las res respon ponsab sabili ilidade dadess del inge ingenier nieroo civ civil il.. Le cor corres respond pondee ent entre re otr otras as cosa cosas, s, proyectar, diseñar, construir y administrar las obras obras relacionadas con ríos, canales, presas, sistemas de irrigación y drenaje, redes de abastecimiento de agua, alcantarillado pluvial y sanitario; en realidad, él es e s el ingeniero por excelencia del ambiente. La responsabilidad del ingeniero civil es inmensa porque los conocimientos de la Hidráulica se basan en cientos de años de empirismo, muchos años de estudios teóricos y de análisis científicos, y pocos años de experiencia con las técnicas modernas de instrumentación y computación aplicada a los problemas relacionados con los recursos hidráulicos.
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“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil El flujo con superficie libre probablemente es el fenómeno de flujo que con más frecuencia se produce en la superficie de la la tierra. Las corrientes de los los ríos y las corrientes de agua de lluvia son ejemplos que suceden en la naturaleza. Las situaciones inducidas por los seres humanos incluyen flujos en canales y alcantarillas, escurrimientos sobre materiales impermeable imper meables, s, tales como lechos y movim movimiento ientoss de las olas en puertos. En todas estas situaciones, el flujo se caracteriza por una interfaz entre el aire aire y la capa superior superior del agua, la cual se llama Superficie Libre. En esta superficie libre, la Presión es constante, y en casi todas las situaciones, situaciones, ésta es la presión Atmosférica. Atmosférica. En la práct práctica ica de la ingeniería, el fluido que la mayoría de los canales abiertos transportan es agua. Cuando comprobamos que dos tercios de la población mundial viven en condiciones precarias y que una de las primeras medidas para mejorar su patrón de vida es el aprovechamiento racional de los recursos hidráulicos y que compete principalmente al ingeniero civil, al estudio de estas medidas, faltan las palabras para describir la importancia de esta profesión.
ANTECEDENTES. Después Despu és del aire que respiramos, respiramos, el agua es el elemento elemento más esencial esencial para el hombre. Sin el agua, la vida animal o vegetal seria imposible. También es un medio CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil eficiente de transferencia de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce. Desde hace por lo menos 5000 años el hombre ha inventado y construido obras para el aprovechamie aprove chamiento nto del agua; entre las más antig antiguas uas están los CANALES CANALES,, usados para llevar el agua de un lugar a otro. 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 líqui do está en contacto con la atmósfera; atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso. (Figura 1.1).
Figura 1.1. Flujo en conductos. CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES: De acuerdo con su origen los canales se clasifican en: a) Canales naturales: Inclu Incluyen yen todos los cursos de agua que existen de maner maneraa 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 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 (Fig.1.2a, b y c), lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los lechos.
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“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Figura 1.2a Sección transversal transversal irregular.
Figura 1.2b. Sección transversal irregular.
Figura 1.2c. Sección transversal irregular río “Matamba”, Cuicatlan. b) Canales artificiales: artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegac navegación, ión, control de inund inundaciones aciones,, canal canales es de cent centrales rales hidroeléctricas, 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. 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 c omo canal prismático. El término sección de canal se refiere refiere a la la sección transversal tomado en forma perpendicular a la direc dirección ción del flujo flujo.. (Fig (Fig.1.3). .1.3). Las secciones transversale transversaless más comunes son las siguientes: 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 util utiliza iza para canal canales es constr construidos uidos con mater materiales iales estab estables, les, acueductos de madera, para canale canaless excavados en roca y para canales revestidos. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, tambiénn en canal tambié canales es de tierr tierraa pequeñ pequeños, os, fundam fundamentalm entalmente ente por facil facilidad idad de tra razo zo.. Tam ambbién se emp emplea leann rev revest estida idas, s, com comoo alc alcant antari arilla llass 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. (Fig.1.3, 1.4 y 1.4.a). SECCIONES CERRADAS Sección circular: El cír círcul culoo es la sec secció ciónn más común para alc alcant antari arilla llados dos y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano. Sección parabólica: Se usan comúnmente comúnmente para alcantarillas alcantarillas y estru estructuras cturas hidráulicas importantes.
Fig. 1.3. Canal prismático.
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Sección transversal.
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Rectangular
Semi circular
Trapecial
Circular
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Compuesta
ura
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Canale Cana less función.
de
rieg ri egoo
porr po
su
Los canales de riego por sus difer diferentes entes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos (cerros). Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal principal principal y el gasto gasto que ingresa a ellos, es repartido repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las las parcelas individuales a través de las tomas tom as granjas.
Elementos geométricos de los canales: 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. La formaa mas conocid form conocidaa de la sección transversal transversal de un canal es la trapecial, trapecial, como se muestra en la fig.1.5. T L B 1
t
A b
x
d
Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes. Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el pun punto to má máss ba bajo jo de un unaa se secci cción ón del ca cana nall has hasta ta la su super perfi fici ciee li libr bre, e, es deci decirr la profundidad máxima del agua en el canal. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m. 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 ( decir
) , es m x y depende del tipo d
de material en que se 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. Coeficiente de rugosidad (n) : depende del tipo de material en que se aloje el canal (verTabla 2). Pendiente ( S ) : es la pendiente longitudinal de d e la rasante del canal. Área hidráulica ( A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección 2 transversal normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m . Perímetro mojado ( P ) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m. Radio hidráulico ( R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro R
mojado. m.
A P
, en
Ancho de la superficial o espejo del agua (T T )) : es el ancho de la superficie libre del agua, expresado en m. Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del A
T )) . agua (T ( Lb)
dm
T
, se expresa m. : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la
Libre bordo corona del bordo, se expresa en m. Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad de tiempo, y se se expresa en m3/s. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
“UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Velocidad media (V ) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s. Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: Es el producto del área mojada y la raíz raíz cuadra cuadrada da de la profun profundidad didad hidrául hidráulica. ica. Fact Fa ctor or de se secc cció iónn Z= Z= =A Tabla 1. Taludes apropiados para distinto tipos de materiales en el diseño de canales. Material
Talud
Valor de
Roca ligeramente alterada Mampostería Roca sana y tepetate duro Concreto Tierra arcillosa, arenisca, tepetate blando Material poco estable, arena, tierra arenisca.
0.25:1 0.4:1 y 0.75:1 1:1 1:1 ó 1.25:1 1.5:1 2:1
7 5º 58’ 6 8º 12’ 45º 4 5º y 38º 40’ 33º 26º
Tabla Tab la 2. Valore Valoress del coef coefici icient entee de rug rugosi osidad dad de(n) para ser aplicado en su Manning ecuación.
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Tipo de Material Roca (con saliente y sinuosa) Tepetate (liso y uniforme) Tierra Mampostería seca concreto Polietileno (PVC)
Mínimo 0.035 0.025 0.017 0.025 0.013 0.007
Valores Normal 0.040 0.035 0.020 0.030 0.017 0.008
Máximo 0.050 0.040 0.025 0.033 0.020 0.009
CARACTERÍ CARACT ERÍST STICA ICASS GEN GENERA ERALES LES DEL FLU FLUJO JO A SUPERFICIE LIBRE. Comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos. El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. tubería. Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, libre , en tanto que el flujo en tubería no la tiene, tiene , debido a que en este caso el agua debe llenar completame completamente nte el conducto. Una superfici superficiee libre está atmosférica. El flujo en tubería, al estar sometida a la presión atmosférica. confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera directa sino sólo a la presión hidráulica. El flujo de un fluido en un canal se caracteriza por la exposición de una superficie libre a la presión atmosférica. El agua que fluye en un canal se ve afectada por todas las fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo, con la adición de las fuerzas de gravedad y de tensión superficial que son la consecuencia directa de la superficie libre. Las dos clases de flujo se comparan en la Figura 1.6. A la izquierda de ésta se muestra el flujo en tubería. Dos piezómetros se encuentran instalados en las secciones (1) y (2) de la tubería. Los niveles de agua en estos tubos se mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas por la línea conocida como línea de gradiente hidráulico. La presión ejercida por el agua en cada sección del tubo se indica en el tubo piezométrica correspondiente, mediante la altura d de la columna de agua por encima del eje central de la tubería. La energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la suma de la elevación Z del eje central de la tubería, la altura piezométrica (d) y la altura de velocidad V²/2g, donde V es la velocidad media del flujo (aquí se supone que la velocidad del canal está uniformemente distribuida a través trav és de la sección del conducto. conducto. En la figura la energ energía ía está representada por la línea conocida como línea de energía. energía. La pérdida de energía que resulta cuando el agua fluye desde la sección (1) hastaa la sec hast sección ción (2) está representad representadaa por hf . Un dia diagra grama ma si simil milar ar para el flujo flujo en canal abierto abierto se muestra muestra en la parte derecha de la Figura 2-1. Se supone que el flujo es paralelo y que tiene una CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
distribución de velocidades uniforme y que la pendiente del canal es pequeña. En este caso, la superficie superficie de agua es la línea de gradiente hidráulico, y la profundidad del agua corresponde corresponde a la altura piezométric piezométrica. a.
Figura 1.6 comparación entre flujo en tubería y flujo en canales abiertos. Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales: Ø
La profun profundida didad, d, el área moja mojada, da, la la velocid velocidad ad y el el caudal caudal en la sección del canal son constantes. Ø La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos; es decir, sus pendientes pendientes son todas iguales, o S f = S w = Sc = S Se considera que el flujo uniforme es sólo permanente, debido a que el flujo uniforme no permanente prácticamente no existe. En corrientes naturales, aún el flujo uniforme permanente es raro, debido a que en ríos y corrientes corrientes en estado natural natural casi nunca nunca se experimenta experimenta una condición estricta de flujo uniforme. A pesar de esto, a menudo se supone una condición de flujo uniforme para el cálculo de flujo en corrientes naturales. El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades muy altas, ya que atrapa aire y se vuelve muy inestable.
CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALES CLASIFICACIÓN ABIERTOS. El flujo en canales abiertos puede clasificarse clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación clasificación se hace de acuerdo con el cambio de los parámetros profundidad, velocidad, área etc. del flujo con respecto al tiempo y al espacio. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
La clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera: A. Flujo permanente 1 Flujo uniforme 2. Flujo variado a. Flujo gradualment gradualmentee variado b. Flujo rápidamente variado b. Flujo no permanente 1. Flujo uniforme no permanente (raro) 2. Flujo variado no permanente a. Flujo gradualmente variado no per perma mane nente nte b. Fluj Fl ujoo rá rápi pida dame ment ntee variado no permanente En la Figura 1-20 se muestra un canal largo con tres pendientes diferentes: subcrític subcrítica, a, crítica y supercrítica. En la pendiente subcrítica subcrítica el agu aguaa en la zon zonaa de tra transi nsici ción ón apa aparec recee ond ondul ulant ante. e. El fl flujo ujo es uniforme unif orme en el tramo medio del canal canal pero variado en los dos extremos. En la pendiente crítica la superficie del agua del flujo crítico crít ico es ines inestab table. le. En el tramo intermedio intermedio pueden ocur ocurrir rir ondulaciones, ondulaci ones, pero en promedio la profundidad es constante y el flujo pued puedee co consi nsider derars arsee uni unifor forme. me. En la pen pendie diente nte su superc percrít rític icaa la superficie de agua transitoria pasa del nivel subcrítico al nivel supercrítico a través de una caída hidráulica gradual. Después de la zona de transición el flujo se aproxima al uniforme. La profundidad del flujo uniforme se conoce como profundidad normal.. En todas las figuras la línea de trazos cortos representa normal la línea de profundidad normal, abreviada como L.P.N., y la línea punteada representa representa la línea de profundidad crítica o L.P.C. L .P.C.
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Figura 1.21. Presencia de flujo uniforme en canales revestidos, uniforme, canal principal “unidad rectangular. riego Ixtepec”. Oax.
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figura 1.21a flujo sección
Figura 1.21b Flujo uniforme en canales prismáticos, unidad de riego rural “Matamba”, Cuicatlan. Ecuaciónn de Manning para determinar la velocidad en el sistema inglés. Ecuació Tabla 6. Valores del coeficiente “n” de Manning. Material Arroyo de montaña con muchas piedras. Tepetate (liso y uniforme). Tierra en buenas condiciones. Tierra libre de vegetación. Mampostería seca. Mampostería con cemento.
Mínimo
Valores Normal
Máximo
0.035
0.040
0.050
0.025 0.017 0.020 0.025 0.017
0.035 0.020 0.025 0.030 0.020
0.040 0.025 0.033 0.033 0.025
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Concreto. Asbesto cemento. Polietileno y PVC. Fierro fundido (Fo. Fo). Acero. Vidrio, cobre.
0.013 0.09 0.007 0.011 0.013 0.009
0.017 0.010 0.008 0.014 0.015 0.010
0.020 0.011 0.009 0.016 0.017 0.010
ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALES Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros: Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información información básica: básica: Fotografíass aéreas, para localiza Fotografía localizarr los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación,, etc. comunicación Planos topográficos y catastrales. Estudios Estu dios geol geológic ógicos, os, sali salinida nidad, d, suelos y de demá máss in info form rmac ació iónn qu quee pu pued edaa conjugarse en el trazo de canales. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reco Reconoci nocimien miento to del terreno. terreno.-- Se recorre la zona, zona, anotándo anotándose se todos los los detalles detalles que influyen en la determinaci determinación ón de un eje probable de trazo, determinándose determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clav cl avan ando do en el te terre rreno no la lass es esta taca cass de la po poli ligo gona nall pr prel elim imin inar ar y lu lueg egoo el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: •
•
•
•
•
○
○
•
Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una 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, es decir
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la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo desarrollo.. Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente: Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal
Radio mínimo
Hasta 10 m3/s
3 * ancho de la base
De 10 a 14 m3/s
4 * ancho de la base
De 14 a 17 m3/s
5 * ancho de la base
De 17 a 20 m3/s
6 * ancho de la base
De 20 m3/s a mayor
7 * ancho de la base
Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior Fuente: Fuent e: "In "Inte terna rnati tiona onall Ins Insti titut tutee Fo Forr La Land nd Rec Reclam lamati ation on And Imp Improv roveme ement nt"" ILR ILRI, I, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978. Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO
CANALES DE DRENAJE
Tipo
Radio
Tipo
Radio
Sub – canal
4T
Colector principal
5T
Lateral
3T
Colector
5T
Sub – lateral
3T
Sub – colector
5T
Siendo T el ancho superior del espejo de agua Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe" Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones Tinajones – Chiclayo 1984. Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capac Cap acid idad ad del del canal canal Rad Radio io míni mínimo mo 20 m3/s
100 m
15 m3/s
80 m
10 m3/s
60 m
5 m3/s
20 m
1 m3/s
10 m
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0,5 m3/s
5m
Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Agricultura y Alimentación Alimentación,, Boletín Técnico N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978. Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste a nuestro criterio. Elementoss de una curva.Elemento •
A
=
Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m
C
=
Cuer Cu erdda la larg rgaa, es es la la cue cuerd rdaa qu que su sub – tiend ndee la la cu curv rvaa de desd sdee PC hast staa PT PT.
ß
=
Angulo de deflexión, formado en el PI.
E
=
Exttern Ex rnaal, es es la la dist staanc nciia de de PI a la cur curva va medi didda en en la bi bise sect ctri rizz.
F
=
Flecha Flec ha,, es es la lo long ngit itud ud de la pe perp rpen endi dicu cula larr baj bajad adaa de dell pu punt ntoo med medio io de la cu curv rvaa a la cuerda larga.
G
=
Grado, es el ángulo central.
LC
=
Longitud de curva que une PC con PT.
PC
=
Principio de una curva.
PI
=
Punto de inflexión.
PT
=
Punto de tangente.
PSC =
Punto sobre curva.
PST
=
Punto sobre tangente.
R
=
Radio de la curva.
ST
=
Sub ta tangente, di distancia de del PC al PI PI.
•
Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o
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1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparente color verde color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid. Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natura nat urall pro promed medio io del te terre rreno, no, cua cuando ndo est estaa no es pos posib ible le deb debido ido a fue fuerte rtess pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeandoo siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material chequeand donde se construirá el canal. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. Kilometraje Cota de terreno Cota de rasante Pendiente Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Para ver el gráfico seleccione seleccione la opción "Descargar" del menú superior Sección típica de un canal Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Donde: T = Ancho superior del canal b = Plantilla z = Valor Valor horizontal 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. En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del trafico. •
•
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1. Determinac Determinación ión de Máxima Eficiencia Hidráulica.
Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra tierra,, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud
Angulo
Máxima Eficiencia
Mínima Infiltración
Promedio
Vertical
90°00´
2.0000
4.0000
3.0000
1/4:1
75°58´
1.5616
3.1231
2.3423
1/2:1
63°26´
1.2361
2.4721
1.8541
4/7:1
60°15´
1.1606
2.3213
1.7410
3/4:1
53°08´
1.0000
2.0000
1.5000
1:1
45°00´
0.8284
1.6569
1.2426
1¼:1
38°40´
0.7016
1.4031
1.0523
1½:1
33°41´
0.6056
1.2111
0.9083
2:1
26°34´
0.4721
0.9443
0.7082
3:1
18°26´
0.3246
0.6491
0.4868
De todas las seccione seccioness trapezoidales, la más eficien eficiente te es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canal CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Se Secc cció iónn Hidrá Hidrául ulic icaa Optima Optima 3. Dis Diseño eño de de seccio secciones nes hidr hidrául áulica icas.s.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 o Strickler, y su expresión es: donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Area (m2) R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedo En la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de ca cana nale les, s, au aunq nque ue el di dise seño ño fi fina nall se ha hará rá co cons nsid ider eran ando do la lass di dife fere rent ntes es posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca nun ca se pod podrán rán el elim imina inarr tod todos os los riesgos y des desve venta ntaja jas, s, úni únicam cament entee se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos costos.. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning •
n
Superficie
0.010
Muy lisa, vidrio vidrio,, plástico plástico,, cobre.
0.011
Concre retto mu muy liliso.
0.01 0. 0133
Maddera sua Ma uavve, me mettal, concreto frotachado.
0.01 0. 0177
Cana Ca nale less de tie tierra rra en en buen buenas as con condi dici cion ones es..
0.02 0. 0200
Cana Ca nale less natu natura rale less de ti tier erra ra,, libr libres es de de vegetación.
0.02 0. 0255
Canale Cana less na natu tura rale less co conn al algu guna na veget vegetac ació iónn y pi pied edra rass es espa parc rcid idas as en el fondo
0.035 0.0 35
Canal Can ales es nat natura urale less con con abu abunda ndant ntee vege vegeta taci ción. ón.
0.04 0. 0400
Arro Ar royo yoss de de mont montañ añaa con con muc mucha hass pied piedra ras. s.
b. b. Tabl Tablaa DC DC06 06.. Re Rela laci cion ones es ge geom omét étri rica cass de la lass se secc ccio ione ness tr tran ansv sver ersa sale less má máss frecuentes. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
c. d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, mis mo, veg veget etaci ación, ón, irr irregu egula larid ridad ad y tra traza zado do del ca canal nal,, rad radio io hi hidrá dráuli ulico co y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supon su ponee que el can canal al es está tá rec recie ient nteme emente nte ab abier ierto to,, li limpi mpioo y co conn un tra trazad zadoo uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se co cons nser erva vará rá co conn el tiempo tiempo,, lo que qu quiiere decir que en al prá rácctica consta con stante ntemen mente te se har haráá fre frente nte a un con conti tinuo nuo cam cambio bio de la rug rugosi osidad dad.. La siguie sig uiente nte ta tabla bla nos da val valore oress de "n" est estima imados dos,, es estos tos val valore oress pue pueden den ser refutados con investigaciones y manuales manuales,, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL
TALUD vertical)
(hor (h oriz izon onta tall
Roca
Prácticamente vertical
Suelos de turba y detritos
0.25 : 1
Arcill Arci llaa co comp mpac acta ta o ti tier erra ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra Tier ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de pi pied edra ra o ti tier erra ra en 1:1 grandes canales CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
:
Arcilla firma o tierra en canales pequeños
1.5 : 1
Tierra arenosa suelta
2:1
Greda arenosa o arcilla porosa
3:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela Venezuela,, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL
CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS
Roca en buenas condiciones
Vertical
Arcillas compactas conglomerados
o 0.5 : 1
0.25 : 1 1:1
Limos arcillosos
1:1
1.5 : 1
Limos arenosos
1.5 : 1
2:1
Arenas sueltas
2:1
3:1
Concreto
1:1
1.5 : 1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terre te rreno no do dond ndee es está tánn al aloj ojad ados os,, la U. U.S. S. BU BURE REAU AU OF RE RECL CLAM AMAT ATIO ION N recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabl Ta blaa DC DC09 09.. Má Máxi xima ma ve velo loci cida dadd pe perm rmit itid idaa en ca cana nale less no re recu cubi bier erto toss de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning
Agua Agua limpia partículas coloidales
Arena fina coloidal
c oAgua n transportando transporta ndo arena, grava o fragmentos
0.020
1.45
0.75
0.45
Franco arenoso coloidal
no 0.020
0.53
0.75
0.60
Franco
no 0.020
0.60
0.90
0.60
limoso
CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
coloidal Limo moss al aluuvi viaale less coloidales
no 0.020
0.60
1.05
0.60
cons co nsiist steent ntee 0.020
0.75
1.05
0.68
0.020
0.75
1.05
0.60
Arc rciilla cons co nsiist steent ntee 0.025 muy coloidal
1.13
1.50
0.90
Limo aluvial coloidal 0.025
1.13
1.50
0.90
Pizarra y capas duras
0.025
1.80
1.80
1.50
Grava fina
0.020
0.75
1.50
1.13
Suelo franco 0.030 clasificado no coloidal
1.13
1.50
0.90
Suelo franco 0.030 clasificado coloidal
1.20
1.65
1.50
Grava gruesa coloidal
no 0.025
1.20
1.80
1.95
0.035
1.80
1.80
1.50
Franc Fra ncoo normal
Ceniza volcánica
Gravas y guijarros
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión erosión,, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD METROS en kg/cm2
DEL
TIRANTE
0.5
1
3
5
10
50
9.6
10.6
12.3
13.0
14.1
75
11.2
12.4
14.3
15.2
16.4
100
12.7
13.8
16.0
17.0
18.3
150
14.0
15.6
18.0
19.1
20.6
200
15.6
17.3
20.0
21.2
22.9
CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
EN
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad velocidad que no permite sedimentación, sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas,, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad plantas apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre libre..- Es el espacio espacio entre entre la cota de la la corona corona y la superfici superficiee del agua, agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente 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: donde: Borde libre: en pies. C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies La secretaría de Recursos Hidráulico Hidráulicoss de México México,, recomienda los siguientes valores en función del caudal: Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caud udal al m3 m3//se segg
Reve Re vest stiido (cm (cm)) Si Sinn re revest stiir (cm (cm))
£ 0.05
7.5
10.0
0.05 – 0.25
10.00
20.0
0.25 – 0.50
20.0
40.0
0.50 – 1.00
25.0
50.0
> 1.00
30.0
60.0
Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Ag Agri ricu cult ltur uraa y Al Alim imen enta taci ción ón,, Bo Bole letí tínn Té Técn cnic icoo N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978 Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal: Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Anchoo de la pl Anch plan anti till llaa Borde libre (m) (m) CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
Hasta 0.8
0.4
0.8 – 1.5
0.5
1.5 – 3.0
0.6
3.0 – 20.0
1.0
ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALES Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros: Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información información básica: básica: Fotografíass aéreas, para localiza Fotografía localizarr los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación,, etc. comunicación Planos topográficos y catastrales. Estudios Estu dios geol geológic ógicos, os, sali salinida nidad, d, suelos y de demá máss in info form rmac ació iónn qu quee pu pued edaa conjugarse en el trazo de canales. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reco Reconoci nocimien miento to del terreno. terreno.-- Se recorre la zona, zona, anotándo anotándose se todos los los detalles detalles que influyen en la determinaci determinación ón de un eje probable de trazo, determinándose determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clav cl avan ando do en el te terre rreno no la lass es esta taca cass de la po poli ligo gona nall pr prel elim imin inar ar y lu lueg egoo el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: •
•
•
•
•
○
○
•
Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una 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, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo desarrollo..
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Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente: Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal
Radio mínimo
Hasta 10 m3/s
3 * ancho de la base
De 10 a 14 m3/s
4 * ancho de la base
De 14 a 17 m3/s
5 * ancho de la base
De 17 a 20 m3/s
6 * ancho de la base
De 20 m3/s a mayor
7 * ancho de la base
Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior Fuente: Fuent e: "In "Inte terna rnati tiona onall Ins Insti titut tutee Fo Forr La Land nd Rec Reclam lamati ation on And Imp Improv roveme ement nt"" ILR ILRI, I, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978. Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO
CANALES DE DRENAJE
Tipo
Radio
Tipo
Radio
Sub – canal
4T
Colector principal
5T
Lateral
3T
Colector
5T
Sub – lateral
3T
Sub – colector
5T
Siendo T el ancho superior del espejo de agua Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe" Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones Tinajones – Chiclayo 1984. Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capac Cap acid idad ad del del canal canal Rad Radio io míni mínimo mo 20 m3/s
100 m
15 m3/s
80 m
10 m3/s
60 m
5 m3/s
20 m
1 m3/s
10 m
0,5 m3/s
5m
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Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Agricultura y Alimentación Alimentación,, Boletín Técnico N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978. Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste a nuestro criterio. Elementoss de una curva.Elemento •
A
=
Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m
C
=
Cuer Cu erdda la larg rgaa, es es la la cue cuerd rdaa qu que su sub – tiend ndee la la cu curv rvaa de desd sdee PC hast staa PT PT.
ß
=
Angulo de deflexión, formado en el PI.
E
=
Exttern Ex rnaal, es es la la dist staanc nciia de de PI a la cur curva va medi didda en en la bi bise sect ctri rizz.
F
=
Flecha Flec ha,, es es la lo long ngit itud ud de la pe perp rpen endi dicu cula larr baj bajad adaa de dell pu punt ntoo med medio io de la cu curv rvaa a la cuerda larga.
G
=
Grado, es el ángulo central.
LC
=
Longitud de curva que une PC con PT.
PC
=
Principio de una curva.
PI
=
Punto de inflexión.
PT
=
Punto de tangente.
PSC =
Punto sobre curva.
PST
=
Punto sobre tangente.
R
=
Radio de la curva.
ST
=
Sub ta tangente, di distancia de del PC al PI PI.
•
Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparente
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color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite color verde que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid. Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natura nat urall pro promed medio io del te terre rreno, no, cua cuando ndo est estaa no es pos posib ible le deb debido ido a fue fuerte rtess pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeandoo siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material chequeand donde se construirá el canal. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. Kilometraje Cota de terreno Cota de rasante Pendiente Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Para ver el gráfico seleccione seleccione la opción "Descargar" del menú superior Sección típica de un canal Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Donde: T = Ancho superior del canal b = Plantilla z = Valor Valor horizontal 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. En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del trafico. 1. Determinac Determinación ión de Máxima Eficiencia Hidráulica. •
•
•
•
•
• • • • • • • •
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Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra tierra,, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud
Angulo
Máxima Eficiencia
Mínima Infiltración
Promedio
Vertical
90°00´
2.0000
4.0000
3.0000
1/4:1
75°58´
1.5616
3.1231
2.3423
1/2:1
63°26´
1.2361
2.4721
1.8541
4/7:1
60°15´
1.1606
2.3213
1.7410
3/4:1
53°08´
1.0000
2.0000
1.5000
1:1
45°00´
0.8284
1.6569
1.2426
1¼:1
38°40´
0.7016
1.4031
1.0523
1½:1
33°41´
0.6056
1.2111
0.9083
2:1
26°34´
0.4721
0.9443
0.7082
3:1
18°26´
0.3246
0.6491
0.4868
De todas las seccione seccioness trapezoidales, la más eficien eficiente te es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canal CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Se Secc cció iónn Hidrá Hidrául ulic icaa Optima Optima 3. Dis Diseño eño de de seccio secciones nes hidr hidrául áulica icas.s.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 o Strickler, y su expresión es: donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Area (m2) R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedo En la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de ca cana nale les, s, au aunq nque ue el di dise seño ño fi fina nall se ha hará rá co cons nsid ider eran ando do la lass di dife fere rent ntes es posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca nun ca se pod podrán rán el elim imina inarr tod todos os los riesgos y des desve venta ntaja jas, s, úni únicam cament entee se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos costos.. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning •
n
Superficie
0.010
Muy lisa, vidrio vidrio,, plástico plástico,, cobre.
0.011
Concre retto mu muy liliso.
0.01 0. 0133
Maddera sua Ma uavve, me mettal, concreto frotachado.
0.01 0. 0177
Cana Ca nale less de tie tierra rra en en buen buenas as con condi dici cion ones es..
0.02 0. 0200
Cana Ca nale less natu natura rale less de ti tier erra ra,, libr libres es de de vegetación.
0.02 0. 0255
Canale Cana less na natu tura rale less co conn al algu guna na veget vegetac ació iónn y pi pied edra rass es espa parc rcid idas as en el fondo
0.035 0.0 35
Canal Can ales es nat natura urale less con con abu abunda ndant ntee vege vegeta taci ción. ón.
0.04 0. 0400
Arro Ar royo yoss de de mont montañ añaa con con muc mucha hass pied piedra ras. s.
b. b. Tabl Tablaa DC DC06 06.. Re Rela laci cion ones es ge geom omét étri rica cass de la lass se secc ccio ione ness tr tran ansv sver ersa sale less má máss frecuentes. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
c.
d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, mis mo, veg veget etaci ación, ón, irr irregu egula larid ridad ad y tra traza zado do del ca canal nal,, rad radio io hi hidrá dráuli ulico co y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supon su ponee que el can canal al es está tá rec recie ient nteme emente nte ab abier ierto to,, li limpi mpioo y co conn un tra trazad zadoo uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se co cons nser erva vará rá co conn el tiempo tiempo,, lo que qu quiiere decir que en al prá rácctica consta con stante ntemen mente te se har haráá fre frente nte a un con conti tinuo nuo cam cambio bio de la rug rugosi osidad dad.. La siguie sig uiente nte ta tabla bla nos da val valore oress de "n" est estima imados dos,, es estos tos val valore oress pue pueden den ser refutados con investigaciones y manuales manuales,, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL
TALUD vertical)
(hor (h oriz izon onta tall
Roca
Prácticamente vertical
Suelos de turba y detritos
0.25 : 1
Arcill Arci llaa co comp mpac acta ta o ti tier erra ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra Tier ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de pi pied edra ra o ti tier erra ra en 1:1 grandes canales CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
:
Arcilla firma o tierra en canales pequeños
1.5 : 1
Tierra arenosa suelta
2:1
Greda arenosa o arcilla porosa
3:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela Venezuela,, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL
CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS
Roca en buenas condiciones
Vertical
Arcillas compactas conglomerados
o 0.5 : 1
0.25 : 1 1:1
Limos arcillosos
1:1
1.5 : 1
Limos arenosos
1.5 : 1
2:1
Arenas sueltas
2:1
3:1
Concreto
1:1
1.5 : 1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terre te rreno no do dond ndee es está tánn al aloj ojad ados os,, la U. U.S. S. BU BURE REAU AU OF RE RECL CLAM AMAT ATIO ION N recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabl Ta blaa DC DC09 09.. Má Máxi xima ma ve velo loci cida dadd pe perm rmit itid idaa en ca cana nale less no re recu cubi bier erto toss de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning
Agua Agua limpia partículas coloidales
Arena fina coloidal
c oAgua n transportando transporta ndo arena, grava o fragmentos
0.020
1.45
0.75
0.45
Franco arenoso coloidal
no 0.020
0.53
0.75
0.60
Franco
no 0.020
0.60
0.90
0.60
limoso
CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
coloidal Limo moss al aluuvi viaale less coloidales
no 0.020
0.60
1.05
0.60
cons co nsiist steent ntee 0.020
0.75
1.05
0.68
0.020
0.75
1.05
0.60
Arc rciilla cons co nsiist steent ntee 0.025 muy coloidal
1.13
1.50
0.90
Limo aluvial coloidal 0.025
1.13
1.50
0.90
Pizarra y capas duras
0.025
1.80
1.80
1.50
Grava fina
0.020
0.75
1.50
1.13
Suelo franco 0.030 clasificado no coloidal
1.13
1.50
0.90
Suelo franco 0.030 clasificado coloidal
1.20
1.65
1.50
Grava gruesa coloidal
no 0.025
1.20
1.80
1.95
0.035
1.80
1.80
1.50
Franc Fra ncoo normal
Ceniza volcánica
Gravas y guijarros
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión erosión,, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD METROS en kg/cm2
DEL
TIRANTE
0.5
1
3
5
10
50
9.6
10.6
12.3
13.0
14.1
75
11.2
12.4
14.3
15.2
16.4
100
12.7
13.8
16.0
17.0
18.3
150
14.0
15.6
18.0
19.1
20.6
200
15.6
17.3
20.0
21.2
22.9
CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
EN
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad velocidad que no permite sedimentación, sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas,, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad plantas apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre libre..- Es el espacio espacio entre entre la cota de la la corona corona y la superfici superficiee del agua, agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente 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: donde: Borde libre: en pies. C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies La secretaría de Recursos Hidráulico Hidráulicoss de México México,, recomienda los siguientes valores en función del caudal: Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caud udal al m3 m3//se segg
Reve Re vest stiido (cm (cm)) Si Sinn re revest stiir (cm (cm))
£ 0.05
7.5
10.0
0.05 – 0.25
10.00
20.0
0.25 – 0.50
20.0
40.0
0.50 – 1.00
25.0
50.0
> 1.00
30.0
60.0
Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Ag Agri ricu cult ltur uraa y Al Alim imen enta taci ción ón,, Bo Bole letí tínn Té Técn cnic icoo N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978 Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal: Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m) CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
Hasta 0.8
0.4
0.8 – 1.5
0.5
1.5 – 3.0
0.6
3.0 – 20.0
1.0
Fuente: Villón Béjar, Máximo; "Hidráulica de canales", Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Rica , Editorial Hozlo, Lima, 1981 ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALES Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros: Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información información básica: básica: Fotografíass aéreas, para localiza Fotografía localizarr los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación,, etc. comunicación Planos topográficos y catastrales. Estudios Estu dios geol geológic ógicos, os, sali salinida nidad, d, suelos y de demá máss in info form rmac ació iónn qu quee pu pued edaa conjugarse en el trazo de canales. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reco Reconoci nocimien miento to del terreno. terreno.-- Se recorre la zona, zona, anotándo anotándose se todos los los detalles detalles que influyen en la determinaci determinación ón de un eje probable de trazo, determinándose determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clav cl avan ando do en el te terre rreno no la lass es esta taca cass de la po poli ligo gona nall pr prel elim imin inar ar y lu lueg egoo el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: •
•
•
•
•
○
○
•
Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con
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radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo desarrollo.. Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente: Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal
Radio mínimo
Hasta 10 m3/s
3 * ancho de la base
De 10 a 14 m3/s
4 * ancho de la base
De 14 a 17 m3/s
5 * ancho de la base
De 17 a 20 m3/s
6 * ancho de la base
De 20 m3/s a mayor
7 * ancho de la base
Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior Fuente: Fuent e: "In "Inte terna rnati tiona onall Ins Insti titut tutee Fo Forr La Land nd Rec Reclam lamati ation on And Imp Improv roveme ement nt"" ILR ILRI, I, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978. Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO
CANALES DE DRENAJE
Tipo
Radio
Tipo
Radio
Sub – canal
4T
Colector principal
5T
Lateral
3T
Colector
5T
Sub – lateral
3T
Sub – colector
5T
Siendo T el ancho superior del espejo de agua Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe" Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones Tinajones – Chiclayo 1984. Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capac Cap acid idad ad del del canal canal Rad Radio io míni mínimo mo 20 m3/s
100 m
15 m3/s
80 m
10 m3/s
60 m
5 m3/s
20 m
1 m3/s
10 m
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0,5 m3/s
5m
Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Agricultura y Alimentación Alimentación,, Boletín Técnico N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978. Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste a nuestro criterio. Elementoss de una curva.Elemento •
A
=
Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m
C
=
Cuer Cu erdda la larg rgaa, es es la la cue cuerd rdaa qu que su sub – tiend ndee la la cu curv rvaa de desd sdee PC hast staa PT PT.
ß
=
Angulo de deflexión, formado en el PI.
E
=
Exttern Ex rnaal, es es la la dist staanc nciia de de PI a la cur curva va medi didda en en la bi bise sect ctri rizz.
F
=
Flecha Flec ha,, es es la lo long ngit itud ud de la pe perp rpen endi dicu cula larr baj bajad adaa de dell pu punt ntoo med medio io de la cu curv rvaa a la cuerda larga.
G
=
Grado, es el ángulo central.
LC
=
Longitud de curva que une PC con PT.
PC
=
Principio de una curva.
PI
=
Punto de inflexión.
PT
=
Punto de tangente.
PSC =
Punto sobre curva.
PST
=
Punto sobre tangente.
R
=
Radio de la curva.
ST
=
Sub ta tangente, di distancia de del PC al PI PI.
•
Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o
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1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparente color verde color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid. Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natura nat urall pro promed medio io del te terre rreno, no, cua cuando ndo est estaa no es pos posib ible le deb debido ido a fue fuerte rtess pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeandoo siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material chequeand donde se construirá el canal. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. Kilometraje Cota de terreno Cota de rasante Pendiente Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Para ver el gráfico seleccione seleccione la opción "Descargar" del menú superior Sección típica de un canal Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior Donde: T = Ancho superior del canal b = Plantilla z = Valor Valor horizontal 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. En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del trafico. •
•
•
•
•
• • • • • • • •
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1. Determinac Determinación ión de Máxima Eficiencia Hidráulica.
Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra tierra,, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud
Angulo
Máxima Eficiencia
Mínima Infiltración
Promedio
Vertical
90°00´
2.0000
4.0000
3.0000
1/4:1
75°58´
1.5616
3.1231
2.3423
1/2:1
63°26´
1.2361
2.4721
1.8541
4/7:1
60°15´
1.1606
2.3213
1.7410
3/4:1
53°08´
1.0000
2.0000
1.5000
1:1
45°00´
0.8284
1.6569
1.2426
1¼:1
38°40´
0.7016
1.4031
1.0523
1½:1
33°41´
0.6056
1.2111
0.9083
2:1
26°34´
0.4721
0.9443
0.7082
3:1
18°26´
0.3246
0.6491
0.4868
De todas las seccione seccioness trapezoidales, la más eficien eficiente te es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canal CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Se Secc cció iónn Hidrá Hidrául ulic icaa Optima Optima 3. Dis Diseño eño de de seccio secciones nes hidr hidrául áulica icas.s.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 o Strickler, y su expresión es: donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Area (m2) R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedo En la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de ca cana nale les, s, au aunq nque ue el di dise seño ño fi fina nall se ha hará rá co cons nsid ider eran ando do la lass di dife fere rent ntes es posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca nun ca se pod podrán rán el elim imina inarr tod todos os los riesgos y des desve venta ntaja jas, s, úni únicam cament entee se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos costos.. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning •
n
Superficie
0.010
Muy lisa, vidrio vidrio,, plástico plástico,, cobre.
0.011
Concre retto mu muy liliso.
0.01 0. 0133
Maddera sua Ma uavve, me mettal, concreto frotachado.
0.01 0. 0177
Cana Ca nale less de tie tierra rra en en buen buenas as con condi dici cion ones es..
0.02 0. 0200
Cana Ca nale less natu natura rale less de ti tier erra ra,, libr libres es de de vegetación.
0.02 0. 0255
Canale Cana less na natu tura rale less co conn al algu guna na veget vegetac ació iónn y pi pied edra rass es espa parc rcid idas as en el fondo
0.035 0.0 35
Canal Can ales es nat natura urale less con con abu abunda ndant ntee vege vegeta taci ción. ón.
0.04 0. 0400
Arro Ar royo yoss de de mont montañ añaa con con muc mucha hass pied piedra ras. s.
b. b. Tabl Tablaa DC DC06 06.. Re Rela laci cion ones es ge geom omét étri rica cass de la lass se secc ccio ione ness tr tran ansv sver ersa sale less má máss frecuentes. CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
c.
d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, mis mo, veg veget etaci ación, ón, irr irregu egula larid ridad ad y tra traza zado do del ca canal nal,, rad radio io hi hidrá dráuli ulico co y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supon su ponee que el can canal al es está tá rec recie ient nteme emente nte ab abier ierto to,, li limpi mpioo y co conn un tra trazad zadoo uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se co cons nser erva vará rá co conn el tiempo tiempo,, lo que qu quiiere decir que en al prá rácctica consta con stante ntemen mente te se har haráá fre frente nte a un con conti tinuo nuo cam cambio bio de la rug rugosi osidad dad.. La siguie sig uiente nte ta tabla bla nos da val valore oress de "n" est estima imados dos,, es estos tos val valore oress pue pueden den ser refutados con investigaciones y manuales manuales,, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL
TALUD vertical)
(hor (h oriz izon onta tall
Roca
Prácticamente vertical
Suelos de turba y detritos
0.25 : 1
Arcill Arci llaa co comp mpac acta ta o ti tier erra ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra Tier ra co conn re recu cubr brim imie ient ntoo de pi pied edra ra o ti tier erra ra en 1:1 grandes canales CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
:
Arcilla firma o tierra en canales pequeños
1.5 : 1
Tierra arenosa suelta
2:1
Greda arenosa o arcilla porosa
3:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela Venezuela,, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL
CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS
Roca en buenas condiciones
Vertical
Arcillas compactas conglomerados
o 0.5 : 1
0.25 : 1 1:1
Limos arcillosos
1:1
1.5 : 1
Limos arenosos
1.5 : 1
2:1
Arenas sueltas
2:1
3:1
Concreto
1:1
1.5 : 1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terre te rreno no do dond ndee es está tánn al aloj ojad ados os,, la U. U.S. S. BU BURE REAU AU OF RE RECL CLAM AMAT ATIO ION N recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabl Ta blaa DC DC09 09.. Má Máxi xima ma ve velo loci cida dadd pe perm rmit itid idaa en ca cana nale less no re recu cubi bier erto toss de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning
Agua Agua limpia partículas coloidales
Arena fina coloidal
c oAgua n transportando transporta ndo arena, grava o fragmentos
0.020
1.45
0.75
0.45
Franco arenoso coloidal
no 0.020
0.53
0.75
0.60
Franco
no 0.020
0.60
0.90
0.60
limoso
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coloidal Limo moss al aluuvi viaale less coloidales
no 0.020
0.60
1.05
0.60
cons co nsiist steent ntee 0.020
0.75
1.05
0.68
0.020
0.75
1.05
0.60
Arc rciilla cons co nsiist steent ntee 0.025 muy coloidal
1.13
1.50
0.90
Limo aluvial coloidal 0.025
1.13
1.50
0.90
Pizarra y capas duras
0.025
1.80
1.80
1.50
Grava fina
0.020
0.75
1.50
1.13
Suelo franco 0.030 clasificado no coloidal
1.13
1.50
0.90
Suelo franco 0.030 clasificado coloidal
1.20
1.65
1.50
Grava gruesa coloidal
no 0.025
1.20
1.80
1.95
0.035
1.80
1.80
1.50
Franc Fra ncoo normal
Ceniza volcánica
Gravas y guijarros
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión erosión,, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD METROS en kg/cm2
DEL
TIRANTE
0.5
1
3
5
10
50
9.6
10.6
12.3
13.0
14.1
75
11.2
12.4
14.3
15.2
16.4
100
12.7
13.8
16.0
17.0
18.3
150
14.0
15.6
18.0
19.1
20.6
200
15.6
17.3
20.0
21.2
22.9
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EN
Fuente: Krochin Sviatoslav. Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, MI R, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad velocidad que no permite sedimentación, sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas,, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad plantas apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre libre..- Es el espacio espacio entre entre la cota de la la corona corona y la superfici superficiee del agua, agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente 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: donde: Borde libre: en pies. C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies La secretaría de Recursos Hidráulico Hidráulicoss de México México,, recomienda los siguientes valores en función del caudal: Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caud udal al m3 m3//se segg
Reve Re vest stiido (cm (cm)) Si Sinn re revest stiir (cm (cm))
£ 0.05
7.5
10.0
0.05 – 0.25
10.00
20.0
0.25 – 0.50
20.0
40.0
0.50 – 1.00
25.0
50.0
> 1.00
30.0
60.0
Fuente Fuen te:: Mi Mini nist ster erio io de Ag Agri ricu cult ltur uraa y Al Alim imen enta taci ción ón,, Bo Bole letí tínn Té Técn cnic icoo N- 7 "Consideraciones "Considerac iones Generales sobre Canales Trapezoidales" Trapezoidales" Lima 1978 Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal: Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m) CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
Hasta 0.8
0.4
0.8 – 1.5
0.5
1.5 – 3.0
0.6
3.0 – 20.0
1.0
Fuente: Villón Béjar, Máximo; "Hidráulica de canales", Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Rica , Editorial Hozlo, Lima, 1981
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