Método de la velocidad admisible El enfoque de la velocidad admisible o permisible se suele utilizar con canales que están alineados con la hierba, arena o tierra. Las fuerzas limites en bioingeniería de suelos y la fabricación de revestimientos de protección también pueden ser expresados como velocidades permisibles. Para diseñar el límite de un canal utilizando el método de la velocidad permisible, la velocidad media del canal se calcula para el canal propuesto y se compara con publicaciones de las velocidades permisibles para el contorno del material. La velocidad media en el canal de diseño se puede determinar usando una ecuación de la profundidad normal o una computadora con un modelo de remanso. El aumento de las velocidades en las curvas se puede explicar, mediante gráficos y ecuaciones aplicables. Las velocidades admisibles han sido determinadas para una gran variedad de materiales y se proporcionan en muchos textos y manuales. Estas tablas han sido principalmente aplicadas al diseño de los canales de riego y drenaje y se desarrollaron a partir de los datos de los canales uniformes relativamente rectas con profundidades menores de 3 pies. Es una práctica común para aplicar a los datos de la velocidad permitida en los canales, no uniformes sinuosos con profundidades de más de 3 pies, pero tal aplicación debe hacerse con precaución. Las velocidades permisibles pueden incrementar o disminuir para dar cuenta de las irregularidades tales como las malas alineaciones y aumento de las concentraciones de sedimentos, usando aplicación de las tablas. Las velocidades admisibles son menores a las velocidades críticas por lo que se incluye un factor de seguridad en los valores presentados.
(A) Calculo de la velocidad promedio El primer paso en la aplicación del método de diseño para la velocidad admisible es calcular la velocidad media del canal existente o propuesto. Para calcular la velocidad media del canal se requiere un caudal de diseño, corte transversal, la forma de alineación en planta, la pendiente media de la energía, y el flujo de datos de resistencia. Si el canal de diseño es un canal compuesto, puede ser necesario dividir el canal en paneles y calcular las velocidades para cada panel. En canales con curvas, la velocidad en el exterior de la curva puede ser significativamente mayor que la velocidad promedio. La velocidad se puede calcular utilizando supuestos de profundidad normal o por un análisis más riguroso de remanso si un supuesto de flujo varia gradualmente es más apropiado. Un cálculo de la profundidad normal es más fácil que un análisis de remanso y se puede lograr usando una ecuación de resistencia al flujo tal como Manning. La suposición de profundidad normal es aplicable para condiciones de flujo uniformes donde la pendiente de la energía, la forma de la sección transversal, y la rugosidad son relativamente constante en el alcance aplicable. En un canal natural, con una sección transversal no uniforme, la fiabilidad del cálculo de la profundidad normal está directamente relacionada con la fiabilidad de los datos de entrada. Al parecer se requiere el juicio de ingeniería en la selección de una muestra representativa. La
sección transversal debe estar ubicado en un alcance uniforme donde el flujo es esencialmente paralelo a la línea de banco sin flujo inverso o remolinos. Esto suele ocurrir en un cruce o rifle. La determinación de la pendiente media de la energía puede ser difícil. Si la sección transversal del canal y la rugosidad son relativamente uniformes, se puede utilizar la pendiente de la superficie del agua. Las pendientes de bajo flujo pueden no ser representativos de la pendiente de la energía en los flujos de diseño .Las estimaciones de pendiente se deben hacer durante un período significativo de la corriente (una longitud de onda de meandro o 20 anchos de canal). Un programa de ordenador como en los EE.UU del cuerpo de Ingenieros (USACE) HEC-RAS puede ser utilizado para realizar estos cálculos de velocidad. Estos programas permiten al diseñador dar cuenta de las secciones no uniformes y para las condiciones de remanso que pueden ocurrir detrás de un puente o en una constricción. El cálculo de los parámetros hidráulicos para ambos canales existentes y propuestas es de importancia crítica para el diseño.
Radio mínimo de curvatura Se recomienda tener precaución en la aplicación de este enfoque en los canales con curvas cerradas. La sección 16 del Manual Nacional de Ingeniería (Departamento de Servicio de Conservación de la Agricultura (USDA) Suelos (SCS) 1971 Estados Unidos) proporciona una guía para el radio mínimo de curvatura para zanjas de drenaje con topografía muy plana (pistas de menos de 0,00114). La Tabla 8-2 proporciona una guía para los canales en suelo estable sin protección. Las condiciones fuera del rango de la tabla 8-2 y en suelos erosionables requieren el uso del análisis más detallado proporcionado en este capítulo. El canal curvado puede requerir protección de las orillas.
La velocidad máxima en las curvas Los ajustes de la velocidad del canal calculado que dan cuenta de la concentración de flujo alrededor de curvas se proporciona como parte del método de diseño escollera USACE (USACE 1991b). El método se basa en una gran cantidad de datos de laboratorio y se ha comparado con los datos de los prototipos disponibles (Maynord 1988). El método es aplicable a pendientes de 1V: 1.5H o más plano. El método calcula una velocidad característica de taludes, Tabla 8-2 Radio mínimo sugerido de curvatura en suelos estables y sin protección
Tipo de zanja
Zanjas pequeñas a máxima
Pendiente
Mínimo radio de curvatura (ft) (m)
<0.00057
300
90
Grado aproximad o de curva (grados) 19
15 pies de anchura superior (4,6 m) Zanjas de tamaño mediano anchura superior a 15 a 35 pies (04.06 a 10.07 Superior a zanjas de anchuras altas> 35 pies (10,7 m)
0.00057 a 0.00114 <0.00057 0.00057 a 0.00114 <0.00057 0.00057 a 0.00114
400
120
14
500
150
11
600
180
10
600
180
10
800
240
7
V ss, que es la velocidad local de la profundidad promediada en la pendiente lateral en un punto a 20 por ciento de la longitud de la pendiente. Esto ha determinado que es la parte de la pendiente lateral que experimenta la máxima velocidad de flujo. La relación vSS / V avg , donde Vavg es la velocidad promedio del canal en el extremo aguas arriba de la curva, se ha determinado que es una función de la relación de la línea central del radio de curvatura, R, y la anchura de la superficie del agua, W. La Figura 8-1 ilustra la relación de los canales naturales. Figura 8-2 ilustra la relación para los canales trapezoidales. Los datos para los canales trapezoidales que se muestran en la figura 8-2 se basan en cálculos de modelos numéricos descritos en Bernard (1993). Los factores principales que afectan la distribución de velocidad en escollera forrado formas de plegado son R / W, ángulo de curvatura, y la relación de aspecto (inferior-ancho a profundidad). Vavg, R y W deben basarse en sólo el flujo del canal principal y no deberán incluir zonas de desbordamiento. Figura 8-2 Velocidades de diseño para canales trapezoidales
(B) Determinar la velocidad Admisible La velocidad de diseño del canal existente o propuesta debe ser comparada con la velocidad permitida para el límite de canal. La velocidad permisible es mayor a la velocidad media de tal forma que no cause el límite de canal a erosionarse. Puesto que la velocidad permisible es un parámetro de diseño
que tiene un factor de seguridad, que es algo menor que la velocidad crítica (la velocidad en movimiento incipiente del material de límite). La velocidad permisible se puede aproximar a partir de tablas que relacionan el material de límite y la velocidad permitida, pero las estimaciones de tabla deben ser atemperada por la experiencia y el juicio. En general, los canales mayores tienen mayores velocidades admisibles debido a que el límite de canal típicamente se estabiliza con la deposición de material coloidal en los intersticios. Además, un canal más profundo tendrá típicamente una velocidad superior a la permitida en canales poco profundos porque la erosión es una función de la velocidad inferior. Las velocidades de fondo en canales profundos son menores que las velocidades de fondo en canales poco profundos con la misma velocidad media. Fortier y Scobey (1926) presentó una tabla de velocidades máximas permisibles para los canales de riego de tierra sin vegetación o protección estructural. Su obra fue compilada en base a un cuestionario aplicado a una serie de ingenieros de riego con experiencia y se recomienda su uso en 1926 por la Comisión Especial de Irrigación de Investigación de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. Esta compilación se presenta en la tabla 83. USACE (1991b) ofrece criterios de velocidad permitidos para los canales de control de inundaciones en la tabla 8-4. Objeciones teóricas para la utilización de velocidad media como criterio de la erosión se puede superar mediante el uso de profundidad como una segunda variable independiente. Un ejemplo de una profundidad de velocidad de la USACE (1991b) se muestra en la figura 8-3. Esta carta en particular está destinado a corresponder a un pequeño grado de movimiento del lecho, en lugar de ningún movimiento. Los valores indicados en esta tabla son únicamente una guía aproximada.
Tabla 8-3 Máximas velocidades del canal permisibles
Material original excavado para canales
Arena fina (no coloidal) Franco arenoso (no coloidal) Franco limoso (no coloidal) Sedimentos aluviales (no coloidal) Marga Ordinaria empresa
Agua clara, sin detritus
Transporte de agua limos coloidales
Limos No coloidal, arenas, gravas o fragmentos de roca transporte de agua
ft/s
m/s
ft/s
m/s
ft/s
m/s
1.5
0.46
2.5
0.76
1.5
0.46
1.75
0.53
2.5
0.76
2.0
0.61
2.0
0.61
3.0
0.91
2.0
0.61
2.0
0.61
3.5
1.07
2.0
0.61
2.5
0.76
3.5
1.07
2.25
0.69
La ceniza volcánica Arcilla rígido (muy coloidal) Sedimentos aluviales (coloidal) Lutitas y capas duras grava fina Calificado, franco a adoquines (cuando no coloidal) Limo gradual de adoquines (cuando coloidal) Grava gruesa (no coloidal) Adoquines y tejas
2.5
0.76
3.5
1.07
2.0
0.61
3.75
1.14
5.0
1.52
3.0
0.91
3.75
1.14
5.0
1.52
3.0
0.91
6.0
1.83
6.0
1.83
5.0
1.52
2.5
0.76
5.0
1.52
3.75
1.14
3.75
1.14
5.0
1.52
5.0
1.52
4.0
1.22
5.5
1.68
5.0
1.52
4.0
1.22
6.0
1.83
6.5
1.98
5.0
1.52
5.5
1.68
6.5
1.98
Tabla 8-4 Velocidades admisibles Material del canal
arena fina arena gruesa grava fina tierra limo arenoso arcilla limo arcilla Tierra de la hierba forradas (pendientes <5%) Bermudagrass limo arenoso arcilla limo pasto azul de Kentucky limo arenoso arcilla limo Roca Pobre(generalmente sedimentaria) arenisca suave esquisto Soft Buena roca (generalmente metamórficas ígneas o duras)
La velocidad media del canal (ft / s) (m / s) 2.0
0.61
4.0
1.22
6.0
1.83
2.0
0.61
3.5
1.07
6.0
1.83
6.0
1.83
8.0
2.44
5.0
1.52
7.0
2.13
10.0
3.05
8.0
2.44
3.5
1.07
20.0
6.08
(C) Servicio de la conservación del suelo planteado por velocidad admisible Básicamente la velocidad admisible se puede determinar a partir de la figura 8-4 (USDA SCS 1977). En esta figura, las velocidades admisibles son una función de la concentración de sedimentos, diámetro de grano para el material no cohesivo, y el índice de plasticidad y las características del suelo para el material de límite cohesivo. Los ajustes se indican en la figura 8-4 a la velocidad básica permitida para tener en cuenta la frecuencia de flujo de diseño, la alineación, la pendiente del banco, la profundidad de flujo y concentración de sedimentos para ambas partículas discretas y suelos cohesivos. Estos gráficos de diseño fueron compilados a partir de los datos de Fortier y Scobey (1926), Lane (1955a), y la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) (1936). Materiales del suelo se clasifican usando el Sistema de Clasificación de Suelos unificada.
Procedimiento para la aplicación del método de la velocidad permitida (USDA SCS 1977) Paso 1. Determinar la hidráulica del sistema. Esto incluye determinaciones hidrológicas, así como las relaciones niv el-caudal para el canal considerado. Paso 2. Determinar las propiedades del suelo el alcance y diseño del canal ascendente. Paso 3. Determinar la concentración de la carga de sedimentos en suspensión que entra en el alcance. Esto se logra mejor mediante mediciones. Los canales con concentraciones de sedimentos suspendidos de menos de 1.000 partes por millón se consideran sedimentos libre para este análisis, en que la carga de sedimentos no es suficiente para disminuir la
energía del flujo de la corriente. Flujos libres de sedimentos son, por lo tanto, considera que no tiene efecto sobre la estabilidad del canal. Los canales con concentraciones de sedimentos suspendidos superiores a 20.000 partes por millón se consideran ser cargado de sedimentos. Los flujos de sedimentos cargados se consideran para mejorar la estabilidad de flujo rellenando intersticios de frontera con material cohesivo. Si una parte significativa de la carga de sedimentos de entrada es de carga lecho de material, es probable que el canal es aluvial, y los métodos de diseño de umbral no son aplicables. Paso 4 Compruebe si el procedimiento de la velocidad permitida es de aplicación utilizando la tabla 8-1. Paso 5 Determine las velocidades permitidas medios básicos para el canal de una o más de las directrices de diseño disponibles (tablas 8-3, 8-4, fig 8-4 (USDA SCS 1977;. Interagencial del Grupo de Trabajo de Restauración Federal (FISRWG) 1998 )). Paso 6 Multiplicar la velocidad básica permitida por los factores de corrección correspondientes (fig. 8-4). Paso 7 Comparar las velocidades de diseño con las velocidades permitidas. Si las velocidades permitidas son mayores que las velocidades de diseño, el diseño es satisfactorio. De lo contrario, hay tres opciones disponibles: • Rediseñar el canal para reducir la velocidad. • Proporcionar medidas estructurales (escollera, control de pendiente) para evitar la erosión. • Considere una condición de frontera móvil y evalue el canal mediante la teoría y los programas de transporte de sedimentos apropiado.
Figura 8-4 Velocidades permisibles para los canale de tierra sin proteccion
Velocidades permisibles para los canales de tierra sin protección Materiales de contorno de Canal Partículas discretas Flujo de sedimentos cargados D75 >0.4mm D75 <0.4mm Flujo libre de sedimentos D75 >0.2mm D75 <0.2mm
Velocidad admisible
Valor básico carta velocidad x D x A x B 2.0 ft/s Valor básico carta velocidad x D x A x B 2.0 ft/s
Materiales de la tierra coherentes PI >10 PI <10
Valor básico carta velocidad x D x A x F x Ce 2.0 ft/s