CONTENIDO CANALES NO EROSIONABLES....... ............... ............... ............. .......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 171 CANALES EROSIONABLES QUE SE SOCAVAN PERO NO SE SEDIMENTAN ......................................................................................................... 178 CANALES EN PASTO....... .............. ............... ............... .............. .............. .............. ............... ............... ............. .......... .... 189 CANALES CANA LES EN PASTO PASTO::...................................................... ................................................................. ................ ..... 189 COEFICIE COE FICIENTE NTE DE RETA RETARDO: RDO:................................... .............................................. ...................... ............. .. 189 VELOCIDAD PERMISIBLE:....... .............. .............. .............. ............... ............... ............. .......... ........ ........ ....... ... 194
DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UNIFORME CANALES NO EROSIONABLES 1. CANAL CANAL NO EROSIO EROSIONABL NABLE E
La mayor parte de los canales artificiales revestidos y construidos pueden resistir la erosión de manera satisfactoria y, por consiguiente, se consideran consideran no erosionable erosionables. s. Los canales canales artificiales artificiales no revestidos revestidos por por lo gene general ral son son eros erosio iona nable bles, s, exce except pto o aqué aquélla llass exca excava vado doss en cimentaciones firmes, como un lecho en roca. En el diseño de canales artifi artificia ciales les no eros erosio iona nabl bles es facto factores res como como la velo velocid cidad ad perm permisi isibl ble e máxima y la fuerza tráctiva permisible no hacen parte del criterio que debe debe ser ser con conside sidera rado do.. El dise iseñado ador sim simplem lemente ente calcu alcula la las las dime dimens nsio ione ness del del cana canall arti artifi fici cial al media ediant nte e una una ecua ecuaci ción ón de fluj flujo o uniforme y luego decide acerca de las dimensiones finales con base en la eficiencia hidráulica o reglas empíricas de sección óptima, aspectos prácticos constructivos y economía. Los factores que se consideran en el diseño son: la clase del material que conforma el cuerpo del canal, la cual determina el coeficiente de rugosidad; la velocidad mínima permisible, para evitar la depositación si el agua mueve limos o basuras; la pendiente del fondo del canal y las pendientes laterales; el borde libre; y la sección más eficiente, ya sea determinada hidráulica o empíricamente. 2. MATERIAL MATERIAL Y REVESTIMIENT REVESTIMIENTO O NO EROSIONAB EROSIONABLE LE
Los materiales no erosionadlas erosionadlas utilizados utilizados para formar el revestimient revestimiento o de un canal o el cuerpo de un canal desarmable, incluyen concreto, mampostería, acero, hierro fundido, madera, vidrio, plástico, etc. La selección del material depende sobre todo de la disponibilidad y el casto de éste, el método de construcción y el propósito para el cual se utilizará el canal. El propósito del revestimiento de un canal artificial, en la mayor parle de los casos es prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser el de evitar las pérdidas de agua por infiltración. En canales artificiales revest revestido idos, s, la veloci velocidad dad máxim máxima a permis permisible ible,, es decir, decir, la velocida velocidad d máxima que no causará erosión, puede no considerarse siempre y cuando el agua no transporte arena, grava o piedras. Si van a existir veloc velocid idade adess muy muy alta altass sobre sobre el reve revest stim imien iento to,, sin emba embargo rgo,, debe debe recordarse que existe una tendencia enei agua que se mueve muy rápidamente de mover los bloques del revestimiento y empujarlos poi fuera de su posición. Por consiguiente, el revestimiento debe diseñarse contra estas posibilidades. 3. VELOCID VELOCIDAD AD MÍNIMA MÍNIMA PERMISIBLE. PERMISIBLE.
La velocidad mínima permisible o velocidad no sedimentante es la menor menor velocid velocidad ad que no permite permite el inicio inicio de la sediment sedimentació ación n y no induce el crecimiento de plantas acuáticas y de musgo, Esta velocidad es muy incierta y su valor exacto no puede determinarse con facilidad. Para aguas que no tengan carga de limos o para flujos previamente decantados, este factor tiene una pequeña importancia excepto por su efecto en el crecimiento de plantas. En general puede adoptarse una velocidad media de 2 a 3 pies/seg cuando el porcentaje de limos presente en el canal es pequeño, y una velocidad media no inferior a 2.5 pies/seg prevendrá el crecimiento de vegetación que disminuiría seriamente la capacidad de transporte del canal. 4. PENDIE PENDIENTE NTES S DE CANAL CANAL
La pendiente longitudinal del fondo de un canal por lo general está dada por la topografía y por la altura de energía requerida para el flujo de agua agua.. En much muchas as caso casos, s, la pend pendie ient nte e tamb tambié ién n depe depend nde e del del propósito del canal; por ejemplo, los canales utilizados para propósitos de dist istribu ibución ión de agua, como los los utiliz iliza ados en irrig rriga ación ión, abastecimiento de agua, minería hidráulica y proyectos hidroeléctricos requieren un alto nivel en el punto de entrega. Por consiguiente, es conven convenien iente te una pendie pendiente nte pequeñ pequeña a para mante mantener ner en el mínimo mínimo posible las pérdidas en elevación. Las pendientes laterales de un canal dependen principalmente de la clase de material, la tabla 7-1 da una idea general de las pendientes apropiadas para ser utilizadas con diferentes clases de material. Sin
embargo, para un material erosionable una determinación más exacta de las pendientes laterales debe verificarse con el criterio de la máxima velocidad permisible o mediante el principio de la fuerza tractiva. Otros factores que deben considerarse para determinar las pendientes laterales son el método de construcción, la condición de perdidas por infiltración, los cambios climáticos, el tamaño del canal, etc. En general, las pendientes laterales deben hacerse tan empinadas como sea factible y deben diseñarse de acuerdo con una alta eficiencia y estabilidad hidráulica. Para canales revestidos, el U. S. Bureau of Reclamation ha considerado la normalización de una pendiente de 1.5:1 por los tamaños usuales de canales. Una ventaja de esta pendiente es que es lo suficientemente plana para permitir un uso factible de casi cualquier tipo de revestimiento o tratamiento de revestimiento en el presente o en el futuro anticipado por el Bureau. Tabla 7-1. Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en diferentes clases de materiales
5. BORDE LIBRE
El borde libre de un canal es la distancia vertical desde la parte superior del canal hasta la superficie del agua en la condición del diseño. Esta distancia debe ser lo suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del agua causen reboses por encima de los lados. Este factor se vuelve muy importante en especial en el diseño de canaletas elevadas, debido a que la subestructura de éstos puede ponerse en peligro por cualquier rebose. No existe una regla universalmente aceptada para el cálculo del borde libre, debido a que la acción de las ondas o las fluctuaciones en la superficie del agua en un canal puede crearse por muchas causas incontrolables. Ondas pronunciadas y fluctuaciones en la superficie del agua por lo general se esperan en canales donde la velocidad es muy alta y la pendiente muy empinada, de tal manera que el flujo se vuelve
muy inestable, o en curvas donde la alta velocidad y el ángulo de deflexión pueden causar superficies de agua con superelevaciones apreciables en el lado convexo de la curva, o en canales donde la velocidad de flujo se aproxima al estado crítico para el cual el agua puede fluir con sus dos profundidades alternas y saltar desde el nivel bajo al nivel alto con cualquier pequeña obstrucción. Otras causas naturales, como el movimiento del viento y la acción de mareas, también pueden inducir ondas altas que requieren una consideración especial en el diseño. En el diseño es común el uso de bordes libres que varían desde menos del 5% a más del 30% de la profundidad de flujo. Para canaletas metálicas con interiores suaves y semicirculares, colocadas en tangentes que conducen el agua a velocidades no mayores que el 80% de la velocidad crítica con un máximo de 8 pies/s, la experiencia indica que un borde libre del 6% del diámetro de la canaleta debería ser utilizado. Para canaletas en curvas de alta velocidad o deflexiones, se producirá acción de ondas; luego, el borde libre debe incrementarse para prevenir que el agua se desborde. El borde libre en un canal no revestido o lateral por lo general estará gobernado por consideraciones de tamaño y localización del canal, caudal de aguas lluvias entrante, fluctuaciones del nivel freático causadas por estructuras de control de flujo, acción del viento, características del suelo, requerimientos para la operación de carreteas y disponibilidad de material excavado. De acuerdo con el U. S. Bureau of Reclamation , el rango aproximado de borde libre a menudo utilizado se extiende desde un pie para pequeñas laterales de riego con profundidades bajas hasta 4 en canales de 3,000 pies'/s o capacidades mayores con profundidades de agua relativamente grandes. El Bureau recomienda que los estimativos preliminares del borde libre requerido bajo condiciones ordinarias se hagan de acuerdo con la siguiente ecuación:
donde F es el borde libre en pies, y es la profundidad en pies del agua en el canal y Ces un coeficiente que varía desde 1.5 para canales con capacidad de 20 pies/s hasta 2.5 para canales con capacidades de 3.000 pies/s o mayores. Esta aproximación está basada en la práctica promedio del Bureau: sin embargo, no sirve para todas las condiciones. Para canales o laterales de riego revestidos, la altura del revestimiento por encima de la superficie del agua dependerá de cierto número de factores: tamaño del canal, velocidad del agua, curvatura del alineamiento, condiciones del caudal de entrada de aguas lluvias o aguas de drenaje, fluctuaciones en el nivel del agua debido a la operación de estructuras reguladoras del flujo y acción del viento. De
una manera mas menos similar, la altura de la banca por encima de la superficie del agua variará con el tamaño y la localización del canal, el tipo de suelo, la cantidad de agua lluvia o agua de drenaje interceptada, etc. Como una guía para el diseño de canales revestidos, el U. S. Bureau of Reclamation preparó curvas para el borde libre promedio y la altura de las tuncas con relación a la capacidad.
Figura 7-1. Borde libre y altura de las bancas recomendados para canales revestidos 6. SECCIÓN HIDRÁULICA ÓPTIMA.
Se sabe que la conductividad de una sección de canal se incrementa con el aumento en el radio hidráulico o la disminución en el perímetro mojado. Desde un punto de vista hidráulico, por consiguiente, la sección de canal que tenga el menor perímetro mojado para un área determinada tiene la máxima conductividad; tal sección se conoce como sección hidráulica óptima. Dentro de todas las secciones el semicírculo tiene el menor perímetro mojado para un área determinada; por consiguiente es la sección hidráulicamente más eficiente de todas las secciones. Los elementos geométricos para seis secciones hidráulicas óptimas se muestran en la tabla 7-2, pero no siempre estas secciones son prácticas, debido a dificultades en la construcción y en el uso de material. En general, una sección de canal debe diseñarse para cumplir con una eficiencia hidráulica óptima pero debe modificarse para tener en cuenta aspectos constructivos. Desde un punto de vista práctico, nótese que la sección hidráulica óptima es la sección que da el área
mínima para un caudal determinado pero no necesariamente la mínima excavación. La sección con mínima excavación ocurre sólo si el nivel del agua llega hasta el tope de las bancas. En los casos en que la superficie del agua se encuentra por debajo del tope de las bancas, como ocurre a menudo los canales más angostos que aquellos con la sección hidráulica óptimo darán una excavación mínima. Si la superficie del agua fluye por encima de las bancas y éstas coinciden con el nivel del terreno, canales más anchos darán una excavación mínima.
El principio de la sección hidráulica óptima se aplica sólo al diseño de canales no erosionables. Para canales erosionables. debe utilizarse el principio de la fuerza tractiva para determinar una sección eficiente 7. CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA SECCIÓN El cálculo de las dimensiones de la sección para canales no erosionables incluye los siguientes pasos: 1. Recolectar toda la información necesaria, estimar n y seleccionar 5. 2. Calcular el factor de sección AR2/3 mediante la ecuación (6-8), o
3. Sustituir en la ecuación (6-8) las expresiones para/4 y R obtenidas en la tabla 2-1, y resolver para la profundidad. Si existen otras incógnitas, como b y z para una sección trapezoidal, entonces suponga los valores de estas incógnitas y resuelva la ecuación (68) para la profundidad. Al suponer varios valores de las incógnitas, puede obtenerse cierto número de combinaciones de dimensiones de la sección. Las dimensiones finales se escogen con base en la eficiencia hidráulica y los aspectos constructivos. Para canales revestidos, la sección trapezoidal se adopta comúnmente y el U. S. Burcau of Reclamation desarrolló una serie de curvas basadas cu la experiencia), que muestran la relación promedio entre los anchas en la base y las profundidades del agua con respecto a las capacidades del canal. Estas curvas pueden utilizarse como una guía al establecer las dimensiones apropiadas de b sección. La determinación de la profundidad para el valor calculado de AR2/3 puede simplificarse a partir de la tabla de diseño.
Tabla 7-2. Curvas empíricas que demuestran el ancho en el fondo y la profundidad en canales revestidos 4. Si directamente se requiere la sección hidráulica óptima, sustituya en la ecuación (6-8) las expresiones para A y R obtenidas en la tabla 7-2 y resuelva para la profundidad. Esta sección hidráulica óptima puede modificarse por aspectos de factibilidad constructiva. 5. Para el diseño de canales de irrigación, algunas veces la sección de canal se proporciona a partir de reglas empíricas, como la regla simple dada por el antiguo U. Reclamaron Service (5) para |a profundidad en pies de suministro completo de agua.
y = 0.5 A
(7.2)
donde A es el área mojada en pies2. Para una sección trapezoidal puede demostrarse que esta regla también puede expresarse mediante una ecuación simple (7.3) x=4–z donde x es la relación ancho-profundidad b/y y z es la proyección horizontal de la pendiente lateral correspondiente a un pie vertical. 6. Verificar la velocidad mínima permisible si el agua mueve sedimentos. 7. Añadir el borde libre apropiado a la profundidad de la sección de canal.
CANALES EROSIONABLES QUE SE SOCAVAN PERO NO SE SEDIMENTAN 1. Métodos de aproximación: EI comportamiento del flujo en un canal erosionable está influido por tantos factores físicos y tantas condiciones de campo complejas e inciertas que el diseño preciso de tales canales, con el presente desarrollo del conocimiento, está por fuera del alcance de la teoría. La ecuación de flujo uniforme, la cual es apropiada para el diseño de canales estables no erosionables, no da una condición suficiente para el diseño de canales erosionables. Esto se debe a que la estabilidad de canales erosionables, la cual gobierna el diseño, depende principalmente de las propiedades del material que forma el cuerpo del canal más que de la hidráulica de flujo en el canal, únicamente. Sólo después de que se obtiene una sección estable para el canal erosionable puede utilizarse la ecuación de flujo uniforme para calcular la velocidad de flujo y el caudal. El método de la velocidad permisible y el método de la fuerza tractiva. El método de la velocidad permisible se ha utilizado con amplitud para el diseño de canales en tierra en los Estados Unidos con el fin de asegurar un estado libre de socavación. El método de la fuerza tractiva
ha sido utilizado algunas veces en Europa: fue investigado de manera exhaustiva en el U. S. Bureau of Rcclamation y se recomienda tentativamente para el diseño de canales erosionables. Nótese que cualquiera de los dos métodos, con el presente estado de conocimiento, sirve sólo como una guía y no suplanta la experiencia y el criterio en ingeniería.
2. Velocidad máxima permisible: La velocidad máxima permisible o velocidad no erosionable es la mayor velocidad promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal. Esta velocidad es muy incierta y variable, y sólo puede estimarse con base en experiencia y criterio. En general, los canales viejos y que han soportado muchos periodos hidrológicos permiten velocidades mucho más altas que los canales nuevos, debido a que un lecho viejo a menudo se encuentra mejor estabilizado, en particular con la sedimentación de materia colonial. Cuando otras condiciones son iguales, un canal más profundo conducirá el agua con una velocidad media más alta sin erosión que un canal poco profundo. Es probable que esto se deba a que la socavación primordialmente es causada por las velocidades cerca del fondo y, para la misma velocidad media, las velocidades cercanas al fondo son mayores en canales menos profundas. Antes se hicieron algunos intentos para definir una velocidad media que no causara sedimentación ni socavación. Desde el punto de vista presente, sin embargo, es dudoso que tal velocidad exista en la realidad. En 1915. Etcheverry publicó tal vez la primera tabla de velocidades medias máximas seguras contra erosión. En 1925, Portier y Scobey publicaron la muy conocida tabla de "Velocidades permisibles en canales", que se muestra en la tabla 7-3. Los valores mostrados en la tabla corresponden a canales por los que han pasado muchos
periodos hidrológicos, colocados en pequeñas pendientes y para profundidades de flujo menores que 3 pies. La tabla también muestra los valores de n apropiados para diferentes materiales y los valores convertidos por las fuerzas tractivas permisibles correspondientes. En 1936, una revista rusa publicó valores de velocidades máximas permisibles por encima de las cuales se produciría socavación en materiales no cohesivos con un amplio rango de tamaño de partículas y diferentes clases de suelos cohesivos. También dio la variación de estas velocidades con respecto a la profundidad del canal.
Tabla 7-3- Velocidades máximas permisibles recomendada por Portier y Scobey
Datos de los estados unidos y de la URSS sobre velocidades permisibles en suelos cohesivos.
Curvas que muestran los datos de la URSS sobre velocidades permisibles en suelos cohesivos. Las velocidades máximas permisibles mencionadas arriba se refieren a canales rectos. Para canales sinuosos, las velocidades deben ser más bajas para reducir la socavación. Algunos porcentajes de reducción sugeridos por Lane son 5% para canales ligeramente sinuosos, 13% para canales moderadamente sinuosos y 22% para canales muy sinuosos. Sin embargo, estos valores de porcentajes son muy aproximados debido a que no existen datos exactos en el presente. 3. Método de la velocidad permisible
A partir del criterio de la máxima velocidad permisible, el procedimiento de diseño para una sección de canal, con forma supuestamente trapezoidal, consiste en los siguientes pasos: •
Para la clase determinada de material que conforma el cuerpo del canal, estimar el coeficiente de rugosidad n, la pendiente del talud lateral z y la velocidad máxima permisible V (tabla 7-3 y figuras 7-3 a 7-5).
•
Calcular el radio hidráulico R a partir de la ecuación de Manning.
•
Calcular el área mojada requerida para el caudal y la velocidad permisible determinados, o A = Q/V.
•
Calcular el perímetro mojado o P = A / R.
•
Utilizando las expresiones para A y P de la tabla 2-1, resuelva simultáneamente para b y y.
•
Añadir un borde libre apropiado y modificar la sección con el fin de hacerla factible desde el punto de vista práctico.
A continuación se detalla un ejemplo:
4. Fuerza tráctiva. Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuera que actúa sobre el lecho de éste en la dirección del flujo. Esta fuerza, la cual es simplemente el empuje del agua sobre el área mojada, se conoce como fuerza tractiva. En un flujo uniforme la fuerza tractiva en apariencia es igual a la componente efectiva de la fuerza gravitacional que actúa sobre el cuerpo de agua, paralela al fondo del canal e igual a wALS, donde w es el peso unitario del agua, A es el área mojada, L es la longitud del tramo del canal y S es la pendiente. Luego, el valor promedio de la fuerza tractiva por unidad de área mojada, conocido como fuerza tractiva unitaria T 0 es igual a wALS/PL = wRS, donde P es el perímetro mojado, y R es el radio hidráulico; es decir. T0 = wRS En un canal abierto ancho, el radio hidráulico es igual a la profundidad de flujo y; por consiguiente T0 = wy S Nótese que la fuerza tractiva unitaria en canales, excepto en canales abiertos anchos, no está distribuida uniformemente a lo largo del perímetro mojado. Se han hecho muchos intentos para determinar la distribución de la fuerza tractiva en un canal. Leighly trató de determinar esta distribución en muchos canales trapezoidales y en algunos canales rectangulares y triangulares, utilizando los datos publicados sobre distribuciones de velocidades en los canales. Infortunadamente, debido a la deficiencia de los datos, los resultados de su estudio no fueron muy concluyentes. En el U. S. Dureau of Kcclamation. Olsen y Florcy y muchos otros ingenieros han utilizado la analogía de la membrana y métodos analíticos y de diferencias finitas para determinar la distribución de fuerza tractiva en canales trapezoidales, rectangulares y triangulares. En la figura 7-6 se muestra una distribución común de fuerza tractiva en un canal trapezoidal resultante de un estudio de analogía de la membrana. El patrón de
distribución varía con la forma de la sección, pero prácticamente no se afecta por el tamaño de ésta. Con base en tales estudios, se han preparado algunas que muestran las fuerzas tractivas unitarias máximas en los lados y en el fondo de diferentes secciones de canal para uso en diseño. En general, en los canales trapezoidales con formas utilizadas a menudo, la fuerza tractiva máxima en el fondo es cercana al valor wyS. y en los lados, cercana a 0.76wyS
Distribución de la fuerza tráctiva en una sección trapezoidal de canal.
Ésta también se conoce como fuerza cortante o fuerza de arrastre. Por lo general se cree que la idea de la fuerza tráctiva fue introducida por primera vez en la literatura hidráulica por Boys en 1879. Sin embargo, el principio de balancear esta fuerza
con la resistencia del canal a un flujo uniforme fue establecida por Brahms en 1754. 5. Relación de fuerza tráctiva.
Sobre una partícula de suelo que descanse en la pendiente lateral de una sección de canal (figura 7-8) en la cual se encuentra fluyendo agua, actúan dos fuerzas: la fuerza tráctiva a
s
, y la componente de
fuerza gravitacional Wsenθ , la cual hace que la partícula ruede a lo largo de la pendiente lateral. Los símbolos utilizados son a = área efectiva de la partícula,
s
= fuerza tráctiva unitaria en la pendiente del
canal. Ws= peso sumergido de la partícula, y
θ
ángulo de la pendiente
lateral. La resultante de estas dos fuerzas, las cuales forman un ángulo recto, es: 2
W s sen
2
ϕ +
2
2
a τ S
Cuando esta fuerza es lo suficientemente grande, la partícula se moverá. A partir del principio de movimiento de friccion en mecánica, puede suponerse que, cuando el movimiento es inminente, la resistencia al movimiento de la partícula es igual a la fuerza que tiende a causar el movimiento. La resistencia al movimiento de la partícula es igual a la fuerza normal W cosθ multiplicada por el coeficiente de fricción, o tan ϕ , donde ϕ es el ángulo de reposo. Luego.
W s cos ϕ tan θ
=
2
2
Ws sen ϕ
+
2
2 a τ s
………. (7.6)
Análisis de las fuerzas que actúan en una partícula que reposa en la superficie del lecho de un canal.
Nótese que esta relación es función solo de la inclinación inclinado y del ángulo de reposo θ del material.
ϕ
del lado
Ángulos de reposo para materiales no cohesivos
6. Fuerza tráctiva permisible: La fuerza tractiva permisible es la fuerza tractiva unitaria máxima que no causa erosión importante en el material que forma el Iecho del canal en una superficie plana. Esta fuerza tractiva unitaria puede determinarse por medio de experimentos de laboratorio, y el valor asi obtenido se conoce como fuerza tractiva crítica. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que en canales reales conformados con materiales
gruesos
no
cohesivos
pueden
soportar
valores
sustancialmente más altos que las fuerzas tractivas criticas medidas en el laboratorio. Esto tal vez se debe a que el agua y el suelo en canales reales contienen pequeñas cantidades de materia coloidal y orgánica lo cual da una cierta capacidad de pegamento y también porque
pequeños movimientos de partículas de suelo pueden tolerarse en diseños prácticos sin poner en peligro la estabilidad del canal. Como la fuerza tractiva permisible es el criterio de diseño para condiciones de campo, el valor permisible puede tomarse menor que el valor critico. Ahora, la determinación de la fuerza tractiva permisible se basa en el tamaño de la partícula para materiales no cohesivos y en la compactación o relación de vacíos para materiales cohesivos. Otras propiedades del suelo, como el índice de plasticidad7 o la acción química pueden tenerse en cuenta como indico para definir con mayor precisión la fuerza tractiva permisible. Como resultado, los valores recomendados para la fuerza tractiva permisible para el diseño de canales se desarrollaron como sigue: Pata materiales gruesos no cohesivos, con un factor de seguridad suficiente, el Bureau recomienda un valor tentativo para la fuerza tractiva permisible, en libras/pie1, igual a 0.4 veces el diámetro en pulgadas de una partícula para la cual el 25% (en peso) del material es mayor. Para material fino no cohesivo, el tamaño especificado es el tamaño medio o el tamaño menor que el 50 % en peso. Tentativamente se recomiendan tres curvas de diseño •
para canales con alto contenido de material fino en el agua.
•
para canales con contenido de sedimento fino en el agua, y
•
para canales con agua limpia.
Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas para canales en materiales no cohesivos
CANALES EN PASTO
CANALES EN PASTO:
La presencia de pastos o vegetación en los canales dan como resultado turbulencia considerable, lo cual significa perdidas de energía y retardo en el flujo. Sin embargo, para canales en tierra utilizados para conducir agua en terrenos de cultivo a menudo se encuentra que un recubrimiento de pastos puede ser ventajoso y conveniente. El pasto estabiliza el cuerpo del canal, consolida la masa de suelo del lecho y frena la erosión en la superficie del canal y el movimiento de partículas de suelo a lo largo del fondo del canal. El U. S. Soil Conservation Service llevó a cabo una serie de experimentos en canales recubiertos con diferentes clases de pasto. Los resultados obtenidos bajo diferentes condiciones de prueba y el procedimiento sugerido para el diseño de canales en pasto se describirán en las siguientes secciones. COEFICIENTE DE RETARDO:
El coeficiente de Manning de rugosidad para canales en pasto se conoce específicamente como coeficiente de retardo. De acuerdo con la investigación hecha por el Soil Conservation Service, se encontró que el “n” de Manning para una sola clase de pasto variaba dentro de un amplio rango
según la profundidad de flujo y la forma y la pendiente del canal. Luego, la selección de un valor de diseño para n sería casi imposible. Por fortuna, se descubrió que el coeficiente de retardo n mantiene cierta relación con el producto de la velocidad media del flujo V y el radio hidráulico R. Esta relación es característica de la vegetación independiente de la inclinación y forma del canal. Por consiguiente, como resultado se desarrolló una serie de curvas experimentales de n versus VR (figura 7-14) para cinco grados diferentes de retardo: muy alto, alto, moderado, bajo y muy bajo. Para retardo muy bajo sólo se muestra la curva promedio, en conjunto con las curvas pata retardo bajo. La clasificación del grado de retardo se basa en la clase de vegetación y la condición de crecimiento, como se describe en la tabla 7-4.
El término "densidad superficial" utilizado en la tabla se refiere a la densidad del pasto, o el conteo de vegetación, el cual algunas veces se expresa como el número de tallos por pie 2. Las curvas n-VR desarrolladas de esta manera también puede apilarse a otras clases de pasto, siempre que sus características y grados de retardo puedan identificarse. Para este propósito, se da la tabla 7-5 como una guia para establecer el retardo vegetal para diferentes condiciones de densidad superficial longitud promedio del pasto.
Tabla 7-4. Clasificación del grado de retardo para diferentes clases de pastos.
V*R (a) Curvas para A o retardo vegetal muy alto.
V*R
(b) Curvas para B o retardo Vegetal alto. Figura 7-14. Curvas n - VR experimentales
V*R
(c) Curvas para C o retardo vegetal moderado.
Curvas para (D) o retardo vegetal bajo, y una curva promedio para E o retardo vegetal muy bajo. Figura 7-14.
Tabla 7-5. Guía para la selección del retardo vegetal*
• U.S. Soil Conservation Soviet (at |.
VELOCIDAD PERMISIBLE:
La velocidad permisible de flujo en un canal en pasto es aquella velocidad que evitará erosión severa en el canal durante un periodo razonable. Las velocidades permisibles para diferentes cubiertas vegetales, inclinaciones de canal y condiciones del suelo, recomendadas con base en la investigación del Soil Conservation Service, se muestran el la tabla 7-6.
Tabla 7-A. Velocidades permisibles para canales recubiertos en pasto*
Observaciones: Los valores se aplican a densificaciones promedio y uniformes para cada tipo de cubierta. Utilice velocidades superiores a 5 pies/s solamente cuando puedan obtenerse cubiertas buenas y mantenimiento apropiado 1.
SELECCIÓN DEL PASTO:
La selección del pasto para el recubrimiento de un canal depende principalmente del clima y del suelo en el cual las plantas crecerán y sobrevivirán bajo las condiciones determinadas. Desde el punto de vista hidráulico, también deben considerarse la estabilidad y otros factores. En general, un caudal grande requiere un recubrimiento más fuerte y mejor. En pendientes empinadas, los pastos de manejo, como la alfalfa, la lespedeza, y el kudzú, desarrollarán canalizaciones para el flujo y, por
consiguiente, son poco adecuados como revestimiento vegetal. Para pendientes superiores al 5%. sólo pastos finos y uniformemente distribuidos, como el pasto bermuda, el pasto azul Kentuky y pastos lisos se recomiendan para recubrimientos en los canales donde ocurre el flujo principal. Debido a la molesta naturaleza de propagarse que tienen los pastos que forman césped, la parte superior de los lados y la berma del canal pueden plantarse con pastos que no se propaguen con facilidad, como el pasto amor lloroso. Para un establecimiento rápido del recubrimiento se recomiendan los pastos Bermuda y amor lloroso. Algunas veces se utilizan plantas anuales como protección temporal hasta que se establezcan cubiertas permanentes con pastos nativos, la sedimentación de limos en canales puede controlarse recubriendo con pastos de manojo, los cuales desarrollarán flujo incrementando la velocidad y reduciendo la sedimentación. 2.
canalizado.
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO:
Una vez que se ha seleccionado la clase de pasto para un recubrimiento de canal, el grado de retardo puede determinarse a partir de la condición de longitud de los tallos y la densidad de crecimiento. Durante el periodo de establecimiento el pasto crecerá y el canal se estabilizará bajo la
condición de bajo grado de retardo. El canal no alcanzará su máxima capacidad hasta que la cubierta de pasto se encuentre completamente desarrollada y bien establecida. Por consiguiente, se sugiere que el diseño hidráulico de un canal en pasto conste de dos etapas. La primera etapa (A) es la de diseñar el canal para estabilidad, es decir, determinar las dimensiones del canal bajo la condición de un grado de retardo más bajo. La segunda etapa (B) es revisar el diseño para capacidad máxima, es decir, determinar el incremento en la profundidad de flujo necesario para mantener la capacidad máxima bajo la condición de un grado de retardo más alto. Por ejemplo, si se selecciona la Iespedeza común como el pasto
para un revestimiento, se utiliza lespedeza común con un grado de retardo vegetal bajo (verde, longitud promedio de 4.5 pulg) para la primera etapa de diseño. Luego, en la segunda etapa, debe utilizarse lespedeza común con un grado de retardo vegetal moderado (verde, sin
podar, longitud promedio 11 pulg) Por último, se añade un borde libre apropiado a la profundidad calculada del canal, que incrementará la capacidad de diseño máxima. El procedimiento de diseño se describe de la siguiente manera: A.
Diseño para estabilidad:
Conocidos el caudal, la pendiente del canal y la clase de pasto, la primera etapa de diseño puede proceder siguiendo los siguientes pasos: Suponer un valor de n y determinar los valores correspondientes • de VR utilizando la curva n-VR (figura 7-14). •
•
A partir de la tabla 7-6, seleccionar la velocidad permisible y calcular valor de R. A partir de la ecuación de Manning, calcular el valor de
y verificar este valor contra el valor de
VR
obtenido en el paso 1.
Hacer otros tanteos hasta que el valor calculado de VR sea igual al valor VR obtenido en la curva n- VR. •
•
•
Calcular el área mojada ó A = Q/V.
Como los valores de A y R se han obtenido, las dimensiones de la sección
pueden determinarse utilizando el procedimiento descrito en la parte de diseño de canales no erosionables Las secciones a menudo utilizadas para canales en pasto son la trapezoidal, parabólica y la triangular, nombradas en orden de incremento de profundidad; requerida en la excavación. Debido a la acción normal de la sedimentación y erosión en el canal, las secciones trapezoidales y triangulares, seleccionadas principio pero sin mantenimiento, por lo general se volverán parabólicas después de un largo periodo de servicio. Ejemplo: Determine la sección de un canal recubierto con una
mezcla de pastos colocados en un suelo resistente a la erosión con una pendiente de 0.04. el cual conduce un caudal de 50 pies 3/s.
Solución:
En el diseño pata estabilidad se considera la mezcla de
pasto que ofrece un retardo vegetal bajo, es decir, la correspondiente a la estación de invierno. Por consiguiente, debe utilizarse la curva n-VR correspondiente para el cálculo. A partir de la tabla 7-6, se toma la velocidad permisible para diseño como 5 pies3/s. Utilizando la curva n-VR (Figura 7-14) para una mezcla de pastos durante el Otoño. el invierno y la primavera, los cálculos por tanteo implicados en el diseño son Ios siguientes:
Los valores, correctos para la determinación de las secciones son R = 0.50 pies y A = 50/5 pies2/s Vàrias secciones que cumplen estos requerimentos se proponen en la siguiente forma (utilizando los cuadros del apéndice B):
B.
Diseño para máxima capacidad.
La segunda etapa en el diseño es determinar la profundidad adicional necesaria para permitir la máxima capacidad con un revestimiento completamente desarrollado. El procedimiento es como sigue: •
•
Suponer la profundidad y y calcular el área mojad3 A y el radio hidráulico/?. Calcular la velocidad V mediante V = Q/A y el valor de VR.
A partir de la curva n-VR con un grado de retardo más alto para el recubrimiento seleccionado, determinar el valor de n. •
Calcular la velocidad a partir de la ecuación de Manning y verificar este valor de V contra el valor obtenido en el paso 2. •
Hacer cálculos por tanteo hasta que el valor calculado de V en el paso 4 sea igual al valor calculado de V en el paso 2. Nótese que esta velocidad es •
siempre menor que la velocidad permisible supuesta en la primera etapa de diseño, es decir, en el diseño para estabilidad, debido a que la sección transversal ha sido agrandada en la segunda etapa de diseño. •
Añadir el borde libre apropiado a la profundidad calculada.
