Tema 2.3 (2016-17)

M1449 – ING INGENIE ENIERÍA RÍA HIDRÁULIC HIDRÁULICA A TEMA 2. PROYECTO DE CANALES

TEMA 2

PROYECTO DE CANALES

M1449 – ING INGENIE ENIERÍA RÍA HIDRÁULIC HIDRÁULICA A TEMA 2. PROYECTO DE CANALES

ÍNDICE DE CONTENIDOS 2.1. Aspectos básicos básicos del flujo en canales. canales. 2.2. Flujo en régimen permanente. 2.3. Aspectos generales generales del proyecto proyecto de un canal. canal. 2.4. Diseño de obras especiales. 2.5. Régimen no permanente en canales.

M1449 – INGENIERÍA HIDRÁULICA TEMA 2. PROYECTO DE CANALES

ÍNDICE DE CONTENIDOS 2.1. Aspectos básicos del flujo en canales. 2.2. Flujo en régimen permanente. 2.3. Aspectos generales del proyecto de un canal. 2.4. Diseño de obras especiales. 2.5. Régimen no permanente en canales.


Aspectos generales del proyecto de un canal

A la hora de abordar el proyecto de un canal, hay dos aspectos que resultan fundamentales: La definición de la traza del canal, apoyada en la disposición de la siguiente información básica: Planos topográficos y fotografías aéreas. Estudios geológicos y geotécnicos.

Con esta información se realiza en gabinete un encaje preliminar del trazado, buscando que la rasante de fondo sea en lo posible igual a la pendiente natural del terreno y optimizando el movimiento de tierras. El trazo preliminar se replantea en campo, realizándose los ajustes necesarios, obteniéndose el trazado definitivo. El dimensionamiento de la sección transversal, que debe tener en cuenta: Condicionantes hidráulicos. El caudal a trasegar vendrá definido por las necesidades de la demanda a satisfacer por la nueva infraestructura. Características del terreno. Condicionantes de explotación.


Trazado del canal

Los canales tienen dos características fundamentales que condicionan su trazado: Son obras lineales de gran longitud que atraviesan terrenos de muy diversas características, lo que obliga a adoptar soluciones locales de diversos tipos. El coste de la obra depende en gran medida de su ajuste a las características del terreno.

Canal de los Payuelos

Canal de Navarra


El trazado de los canales presenta las siguientes peculiaridades: Rigidez en alzado, discurriendo siempre en descenso. Los canales tienen pendientes muy pequeñas (normalmente en el rango entre 0.0001 y 0.001), por lo que su trazado en planta resulta casi coincidente con una curva de nivel del terreno.

Canal con pendiente constante a base de desmontes, terraplenes y acueductos para salvar depresiones del terreno

Canal con pendiente constante a base de desmontes, terraplenes y caídas


Flexibilidad en planta, con radios de curvatura moderados y desarrollo angular no muy grande.

/2

α

R

R

T = Rtg

α 2


Diseño de canales

El diseño de los canales se realiza siguiendo las siguientes pautas: 1) Se fija el caudal que circulará por el canal, Q. 2) Se establece el coeficiente de rugosidad de Manning, n, que depende de la superficie en contacto con el agua:

Valores del coefici ente n de Manning


3) Se selecciona el talud de la sección transversal, en función del material excavado: Tipo Desmonte en roca dura Desmonte en roca fisurada

n:m 1 : 4 o vertical 1:2

Desmonte en arcilla dura y grava compacta Desmonte en areniscas o margas resistentes

3:4 1:1

Desmonte o terraplén en margas ordinarias o areniscas

2:1

Desmonte o terraplén en terreno arenoso suelto Revestimiento de hormigón Revestimiento bituminoso o de tierra compactada

Talud suave en los cajeros

Talud fuerte en lo s cajeros

3:1 1,5 : 1 2 :1 a 3 : 1

Los taludes de un canal trapecial deben garantizar la estabilidad del corte mientras se efectúa la excavación, de manera que si se coloca un recubrimiento de superficie dura, éste no tenga que resistir totalmente el empuje de los suelos.

Cajeros con talud inclin ado y vertical


4) Se establece la relación entre la anchura de la sección, b, y el calado y. Entre las posibles relaciones debe contemplarse aquella que conduce a la sección de máxima eficiencia hidráulica (que corresponde a la sección con perímetro mojado mínimo)

5) Se fijan las velocidades mínimas y máximas permitidas: Debe considerarse una velocidad mínima de circulación del agua que evite la sedimentación del material sólido transportado y el crecimiento de vegetación sobre las paredes y fondo o juntas constructivas.

Velocidad mínima para evitar sedimentación del material de arrastre

Velocidad de sedimentación en un canal (Levy)


Se debe limitar la velocidad máxima del flujo, tanto en canales con revestimiento, como en canales sin revestir, para evitar la erosión continua del cuerpo del canal. La velocidad máxima admisible para distintos materiales en el cuerpo del canal puede establecer con ayuda de la tabla siguiente:

Máxima velocidad permitida en canales


6) Se determina el valor de la pendiente del canal, I0, y se analiza su encaje con la topografía del terreno. En el trazado del canal es difícil que en todos sus tramos la pendiente del fondo sea adecuada, teniéndose que recurrir a: Desmontes y terraplenes:

Sección en desmonte

Sección en terraplén

Tipos de seccio nes a cielo abierto para el trazado de canales


Soluciones para salvar vaguadas:

Acueducto: Estructura que a modo de puente o viaducto conduce el agua del canal en lámina libre, a mayor cota que el terreno.

Acu educto sobre el río Adular (Acueducto de Santa Elena, Ecuador)

Sifón invertido: Conducto artificial, por el que discurre el flujo en presión.

Sifón de la Dehesilla (canal de Orellana)


Túneles:

Esquema de secciones tipo habituales en túneles

La sección transversal de un tramo de túnel habitualmente tiene dimensiones más reducidas que las correspondientes al resto del canal, debido a su mayor coste de construcción

Sección de tún el circul ar

Sección de túnel en herradura. Túnel de Cerro Azul (Acueduct o de Santa Elena, Ecuador)


Perfil del t razado del trasv ase Tajo-Segura

Embalse y central de Bolarque

Acu educto del Cigüela

Canal de Villarejo

Túnel de Talave


7) Se establece el resguardo, que puede evaluarse siguiendo las recomendaciones del USBR: Canales revestidos:

f’

f f

Esquema de resguardo en un canal revestido

f

Altura libre al revestimiento (m).

f‘

Altura libre a la berma (o banqueta) (m).

Resguardos recom endados para canales revestidos (USBR)

Resguardo para canales con revestimiento de superfic ie dura

Canales no revestidos:

f ' = Cy

C: Coeficiente, que toma los siguientes valores: 0.46 para Q=0.6 m 3/s 0.76 para Q=85 m 3/s


8) Se establecen las dimensiones del camino de servicio, que dependerán del tamaño del canal. La anchura del camino de servicio queda definida por las características de los equipos que se van a utilizar en las labores de mantenimiento del canal, variando entre 3.7 m en canales pequeños hasta 6.1 m en canales grandes, con un valor promedio común de 5 m. 9) Se realiza un ajuste de las dimensiones, sobre todo redondeando el valor obtenido del ancho de fondo, b, y recalculando el resto:

Las secciones transversales empleadas en canales artificiales son de forma geométrica regular


En la práctica es inevitable que un canal tenga curvas, por cuanto ha de adaptarse a la topografía del terreno. El efecto de la presencia de una curva se traduce en una alteración del flujo de agua: Si el flujo es subcrítico se produce un flujo helicoidal. Si el flujo es supercrítico se generan ondas cruzadas.

La presencia de curvas origina pérdidas de carga que, en general, suelen ser pequeñas. Para tenerlas en cuenta, en la práctica, se procede aumentando un poco el valor de la rugosidad, n. En curvas con flujo subcrítico se produce un peralte del agua, Δy, en el lado exterior de la curva, por causa de la fuerza centrífuga, que puede estimarse con la siguiente expresión: T ∆ y =

V 2T gR

Sobreelevación del agua en el lado exterior de una curva en flujo su bcrítico

Δy


Diseño de canales erosionables

En este tipo de canales, el contorno puede experimentar socavación. Existen varios métodos de diseño: Método de la máxi ma vel ocidad adm isible. Consiste en establecer una velocidad máxima de circulación del agua por el canal en función de las características del terreno, para que no se produzca erosión de las paredes. Método de la fuerza tractriz. Se basa en conseguir que la fuerza erosiva del agua o fuerza tractriz (τ0) sea menor que la que el material del contorno del canal puede soportar. Teoría de régimen . Considera que el canal se encuentra en un régimen de equilibrio de erosión/sedimentación.

Ejemplos de canales erosionables


Método de la fuerza tractriz. En un flujo permanente y uniforme éste desarrolla una fuerza que actúa en la dirección del flujo sobre el contorno del canal, denominada fuerza tractriz. La expresión de la tensión tangencial provocada sobre el contorno, es la siguiente: τ 0

= γ Rh I 0

La fuerza tractriz no es constante en toda la sección transversal del canal, siendo su distribución en una sección trapezoidal genérica:

γ

I0

γ γ

I0

I0

Distribuci ón de la fuerza tractriz en una sección tr apezoidal de canal


Las máximas fuerzas tractices que se desarrollan en los cajeros y en la solera de canales rectangulares y trapeciales se determinan con base en los siguientes gráficos:

Fuerzas tractrices máximas sobre los cajeros y la solera de un canal

Máxima fuerza tractriz sobre los cajeros:

τ c máx

=

cc .γ . y . I 0

Máxima fuerza tractriz sobre la solera:

τ f máx

=

c f .γ . y . I 0


Relación entre las fuerzas tractrices en los cajeros y en el fondo : Sobre una partícula de suelo de los cajeros del canal actúan dos fuerzas, la fuerza tractriz (a.τc) y la componente de peso (W s.senφ), siendo la resultante de ambas fuerzas de arrastre:

2

2

2

2

R = W s sen φ + a τ c

a

Área efectiva de la partícula (m 2).

τc

Fuerza tractriz unitaria en el cajero (t/m 2).

Ws

Peso sumergido de la partícula (t/m 3)

φ

Ángulo que forma el cajero con la solera (º)

Esquema de fuerzas actuantes sobre una partícula situada en los c ajeros y en la solera del canal


La fuerza de rozamiento que se opone al movimiento es el producto de la fuerza normal por el coeficiente de fricción (tg φ): N .tgϕ = W s . cos φ .tgϕ

Para que la partícula de suelo esté en equilibrio se debe verificar que: 2

2

2

2

W s sen φ + a τ c

= W s . cos φ .tgϕ

→

τ c

=

W s a

. cos φ .tgϕ .

1−

2 tg φ 2 tg ϕ

Sobre una partícula de la solera actúa la fuerza tractriz (a. τf ) a la que se opone el rozamiento con el fondo de la componente de peso (W s.tgφ), por lo que en el equilibrio: W τ f = s tgϕ a .τ f = W s .tgϕ → a

Dividiendo las dos expresiones de la fuerza tractriz se obtiene la siguiente relación: τ c τ f

= cos φ . 1 −

2 tg φ

tg 2ϕ


Para determinar la fuerza tractriz máxima se recurre a los resultados de ensayos en laboratorio:

τ *c

=

τ 0

(γ s − γ )d

Para el caso de lecho plano y h or izo nt al c om pu es to p or materiales no cohesivos puede emplearse el ábaco de Shields

τ0 γs γ

d ν

u*

Valor crítico de la fuerza tractriz (t/m 2). Peso específico de las partículas del suelo (t/m 3). Peso específico del agua (t/m 3) Diámetro de las partículas del lecho (m) Viscosidad cinemática del agua (m/s 2) u* = gyI 0 Velocidad de corte (m/s)

Re* =

=

τ 0 ρ

u*d

υ


La fuerza tractriz unitaria permitida, tanto en los cajeros, como en la solera, es aquella que no origine erosión del material que constituye las paredes del canal. Las fuerzas tractrices unitarias permitidas se refieren a canales rectos. Para canales sinuosos se recomienda los siguientes porcentajes de reducción: 10% para canales ligeramente sinuosos. 25% para canales moderadamente sinuosos. 40% para canales muy sinuosos.

Tema 2.3 (2016-17)

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