4.1 Conceptos y elementos de un canal Después del aire que respiramos, el agua es el elemento más esencial para el hombre. Sin el agua, la vida animal o vegetal sería imposible. ambién es un medio e!iciente d e trans!erencia de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce. Desde hace por lo menos "### a$os el hombre ha inventado y construido obras para el aprovechamiento del agua% entre las más antiguas están los C&'&()S, usados para llevar el agua de un lugar a otro. De!inici*n
(os canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acci*n de la gravedad y sin ninguna presi*n, pues la super!icie libre del líquido está en contacto con la atm*s!era% esto quiere decir que el agua !luye impulsada por la presi*n atmos!érica y de su propio peso. +igura 1.1-.
igura 1.1. luo en conductos.
4. / Clasi!icaci*n de los canales De acuerdo con su origen los canales se clasi!ican en0 a- Canales naturales0 ncluyen todos los cursos de agua que e2isten de manera natural en la tierra, los cuales varían en tama$o desde peque$os arroyuelos en 3onas monta$osas, hasta quebradas, ríos peque$os y grandes, arroyos, lagos y lagunas. (as corrientes subterráneas que transportan agua con una super!icie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. (a secci*n transversal de un canal natural es generalmente de !orma muy irregular y variable durante su recorrido +ig.1./a, b y c-, lo mismo que su alineaci*n y las características y aspere3a de los lechos.
igura 1./a Secci*n transversal irregular.
igura 1./b. Secci*n transversal irregular.
igura 1./c. Secci*n transversal irregular río 5atamba6, Cuicatlan. b- Canales arti!iciales0 (os canales arti!iciales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el es!uer3o de la mano del hombre, tales como0 canales de riego, de navegaci*n, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenae agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio. (os canales arti!iciales usualmente se dise$an con !orma geométricas regulares +prismáticos-, un canal construido con una secci*n transversal invariable y una pendiente de !ondo constante se conoce como canal prismático. )l término secci*n de canal se re!iere a la secci*n transversal tomado en !orma perpendicular a la direcci*n del !luo. +ig.1.7-. (as secciones transversales más comunes son las siguientes0 Secci*n trape3oidal: Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos. Secci*n rectangular : Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utili3a para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales e2cavados en roca y para canales revestidos. Secci*n triangular : Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra peque$os, !undamentalmente por !acilidad de tra3o. ambién se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras. Secci*n parab*lica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la !orma que toman apro2imadamente muchos canales naturales y canales vieos de tierra. +ig.1.7, 1.4 y 1.4.a-. S)CC8')S C)99&D&S
Secci*n circular : )l círculo es la secci*n más com:n para alcantarillados y alcantarillas de tama$os peque$o y mediano. Secci*n parab*lica: Se usan com:nmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.
ig. 1.4a canal arti!icial de Secciones transversales trapecial. (a selecci*n de la !orma determinada de la secci*n transversal, depende del tipo de canal por construir% así, la trapecial es muy com:n en canales revestidos, la rectangular en canales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en canales peque$os como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la circular en alcantarillas, colectores y t:neles. )2isten secciones compuestas como las anteriores que encuentran utilidad en la recti!icaci*n de un río que atraviesa una ciudad. Canales de riego por su !unci*n
(os canales de riego por sus di!erentes !unciones adoptan las siguientes denominaciones0 Canal de primer orden.; (lamado también canal principal o de derivaci*n y se le tra3a 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.; (lamados también laterales, son aquellos que salen del canal principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub < laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.; (lamados también sub;laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomas granas.
4.7 =elocidad )n Canales >)9( D) =)(8CD&D
undamento te*rico
Las velocidades en un canal no están uniformemente distribuidas. Esto se explica por los efectos que la resistencia cortante del fluido en movimiento tienen en distintos puntos. La figura 1 muestra la distribución de velocidades en un canal de sección rectangular. Las líneas continuas del centro de la figura corresponden a isótacas (curvas de puntos de igual velocidad); las líneas laterales son los perfiles de velocidad en las correspondientes secciones verticales las que se presentan en la parte superior de la figura son los perfiles de velocidad en las secciones !ori"ontales indicadas.
igura 1. >er!iles de velocidad en un canal rectangular.
Coe!icientes de distribuci*n de la velocidad
#ebido a la distribución no uniforme de las velocidades en la sección de un canal$ tanto la cabe"a de velocidad como el momentum del fluido deben calcularse considerando un factor de corrección si se traba%a con la velocidad media La verdadera cabe"a de velocidad puede expresarse como $ donde es conocido como coeficiente de energía o coeficiente de &oriolis. Los datos experimentales
suelen indicar que el valor de está entre 1.' 1. para canales prismáticos ligeramente rectos. El valor de se !ace maor para canales peque*os menor para corrientes grandes de profundidad considerable. El momentum del fluido que pasa a trav+s de la sección de un canal por unidad de tiempo puede expresarse como $ donde es conocido como el coeficiente del momentum o coeficiente de ,oussinesq. -ara canales prismáticos ligeramente rectos el valor de está entre 1.'1 1.1.
Determinaci*n de los coe!icientes de la distribuci*n de la velocidad
/omando una peque*a porción de área de la sección de un canal$ la energía cin+tica del agua pasando por en la unidad de tiempo es0
La energía cin+tica total pasando por la sección será entonces0
donde0 ρ densidad
2 velocidad
3i se toma el área total 4$ la velocidad media el área total como
la cabe"a de velocidad corregida para
$ la energía cin+tica total será
5gualando ambas expresiones se obtiene que0
.
donde 2i es la velocidad medida en la porción de área ∆ 4i$ es la velocidad media en la sección de inter+s 4 / en el área total de esa sección. se calcula seg6n la ecuación0
El momentum de agua pasando por en la unidad de tiempo es momentum total a trav+s de la sección es . 3i tomamos el momentum corregido obtiene el valor para como$
el
e igualamos con la expresión anterior$ se
5edidas de la velocidad
-ara la medición de la velocidad de corrientes$ la 7.3 8eological 3urve recomienda dividir la sección transversal en fa%as verticales. La velocidad media para cada fa%a se calcula midiendo la velocidad a '. de la profundidad desde el piso; o si se quiere ser más preciso$ se debe tomar el valor promedio de las velocidades a los '. '.9 de la profundidad. Existen otras fórmulas para obtener la velocidad media en una vertical en función de las velocidades medidas a diferentes profundidades.
4.7.1 5anning
4.7./ Che3y
4.4 coe!iciente de rugosidad
El coeficiente de rugosidad n $ es un parámetro que determina el grado de resistencia$ que ofrecen las paredes fondo del canal al flu%o del fluido. :ientras más áspera o rugosa sean las paredes fondo del canal$ más dificultad tendrá el agua para despla"arse. Este parámetro !a sido mu estudiado por muc!os investigadores en el laboratorio$ por lo que se !a elaborado una tabla para los diferentes valores de n$ dependiendo del material que alo%a al canal. La tabla representa solo una guía$ a que el canal a dise*ar no siempre funcionará en las mismas condiciones para las que fueron deducidas n .Los valores del coeficiente de rugosidad n$ propuesto por orton$ para ser utili"ados en la fórmula de :anning son los que se muestran0
4." >erdida De Carga
La p+rdida de carga en una tubería o canal es la p+rdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí contra las paredes de la tubería que las conduce. Las p+rdidas pueden ser continuas$ a lo largo de conductos regulares$ o accidentales o locali"adas$ debido a circunstancias particulares$ como un estrec!amiento$ un cambio de dirección$ la presencia de una válvula$ etc. La p+rdida de carga que sufre el fluido al atravesar un elemento es generalmente una función del caudal o velocidad media (v)$ de las características del fluido (< =)$ de parámetros geom+tricos característicos del elemento (L'$...$Lm$ >'$ >1$ ?$>@) de la rugosidad del material
A. Bemanso
4.? Salto @idráulico De!inici*n El salto !idráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la !idráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos rápidos. &uando un fluido a altas velocidades descarga a "onas de menores velocidades$ se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Cste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel$ convirtiendo parte de la energía cin+tica inicial del flu%o en energía potencial$ sufriendo una inevitable p+rdida de energía en forma de calor. En un canal abierto$ este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando elevándose sobre +l mismo$ de manera similar a como se forma una ondaDc!oque.
&plicaciones Las aplicaciones prácticas del salto !idráulico son muc!as$ entre las cuales se pueden mencionar0 •
-ara la disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas otras obras !idráulicas$ evitar así la socavación aguas aba%o de la obra;
•
-ara recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas aba%o de un canal de medida así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua;
•
-ara incrementar peso en la cuenca de disipación contrarrestar así el empu%e !acia arriba sobre la estructura;
•
-ara incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas aba%o$ a que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas aba%o a!ogue el salto.
•
-ara me"clas químicas usadas para purificar el agua;
•
-ara aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.
