Subido por Vicente PH

SEMANA 03 2018-II

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3/09/2018
DISEÑO DE CANALES
HIDRAULICA
DE
CANALES
Un canal se clasifica como una Estructura de Conducción y sirve
a diferentes proyectos como: Riego, Centrales Hidroeléctricas,
Abastecimiento de agua potable, Drenaje y otros que requieran
conducir el agua de aun lugar a otro.
Ing. David Maldonado
Clasificación de canales de Riego
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las
siguientes denominaciones:
 Canal de Primer Orden ó Canal Madre ó de Derivación
Canal que se abastece de la toma de agua (Bocatoma, pozo de
bombeo) y conduce el caudal total del sistema. Se le traza
siempre con pendiente mínima.
 Canal de Segundo Orden o Laterales
Son aquellos que se derivan del canal madre y el caudal 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 ó Sub – Laterales
Nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es
repartido hacia las propiedades individuales a través de las
tomas del solar, el área de riego que sirve un sub – lateral se
conoce como unidad de rotación.
Material del canal
Los canales pueden ser revestidos o no revestidos.
Canal no revestido
El canal se traza en el terreno natural: tierra, roca u otro
material.
Canal revestido
El revestimiento tiene por finalidad proteger al canal de la
fuerza erosiva de la corriente, evitar excesivas pérdidas por
filtración, disminuir la rugosidad logrando una mayor velocidad
permisible con lo cual se reduce la sección transversal.
El espesor del revestimiento puede variar de 2 a 4 pulgadas (5
cm a 10 cm) como puede verse en la Figura, para canales
rectangulares el espesor es mayor que para canales trapezoidales
desde un mínimo de 10 cm, hasta un máximo de 20cm.
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Trazo de canales
Se requiere la siguiente información básica:
 Fotografías aéreas, imágenes satelitales, para localizar los
poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación,
etc.
 Planos topográficos y catastrales.
 Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que
pueda conjugarse en el trazo de canales.
La construcción de canales revestidos se realiza usando
diferentes materiales como mampostería de piedra, concreto,
madera, ladrillo, planchas de fierro, etc., el costo es un
porcentaje importante del costo total del canal y su elección de
efectúa tomando en cuenta: función del canal, materiales de
construcción y los medios técnicos disponibles en cada zona, para
finalmente efectuar una evaluación técnico-económica.
Se realiza un trazo preliminar en gabinete, 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.
El trazo en Planta contará con los siguientes elementos:
 Trazo de canal en Planta con línea de eje del canal y Puntos
de Inflexión con radios y ángulos correspondientes.
 Escala de Plano Planta
 Cuadro con Elementos de curva
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Pendiente y Rasante del canal
Una vez definido el trazo en Planta del canal, se procede a dibujar el
Perfil Longitudinal, 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.
Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:
 Las cotas de captación y entrega del agua y los puntos de
confluencia si es un dren u obra de arte.
 La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la
pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible
debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua.
 Para definir la rasante del fondo es importante comprobar si la
velocidad y secciones obtenidas, es soportada por el tipo de
material donde se construirá el canal (velocidad máxima, velocidad
mínima, secciones de máxima eficiencia y de mínima Infiltración)
Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 ó 0.2/1000 son
usuales en la costa del Perú.
El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar
Perfil Longitudinal
El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como
mínimo la siguiente información:
 Kilometraje (Progresiva)
 Cota de terreno
 Cota de rasante
 Pendiente de rasante
 Sección o secciones
hidráulicas del canal,
indicando su kilometraje
 Tipo de suelo
 Indicación de las deflexiones del
trazo con los elementos de curva
 Ubicación de las obras de arte
Se complementará la información con:
 Secciones Transversales Típicas
 Cuadro con Características Hidráulicas
 Escala H y V
Características Hidráulicas y Geométricas
empleando el software:
AUTOCAD CIVIL 3D (AUTOCAD clásico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD
MAP o AUTOCAD CIVIL).
Las características hidráulicas y geométricas están dadas por el tipo
de sección transversal e hidráulica del fluido:
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Ángulos de fricción interno y Pesos Específicos de suelos
Tipo: tipo de canal a describir
Q: caudal de diseño
S: pendiente del fondo del canal
n: coeficiente de rugosidad de
Manning.
b: ancho de solera o ancho de
plantilla, ancho de la base de un
canal
y: profundidad del agua o tirante
A: área de la sección transversal
V: velocidad del agua
P: perímetro mojado
R: radio hidráulico
BL : borde libre (H – y)
H: altura total del canal.
W: ancho total del canal
z: talud lateral
F: número de Froude
B1: Banqueta, corona, incluye vía de
mantenimiento del canal. Ancho
Mínimo 1.20m (buguis), 4m (autos),
según la importancia del canal. En
algunos casos la banqueta puede ir en
ambos márgenes.
B2: Berma del camino, puede ser: 0,5,
0,75, 1,00 m.
m: talud de dique de relleno, los
valores de diseño varían entre 1.5 y 2;
de acuerdo a la contextura del
relleno.
θ: ángulo de inclinación de las
paredes laterales con la horizontal
β: ángulo de fricción interna del
terreno de corte
Criterios de Diseño Hidráulico de Canales
Caudal
Se puede usar cualquiera de las ecuaciones de Flujo Uniforme que se ha
Par diseñar la sección transversal de un canal, se debe tener en
estudiado, para canales artificiales haremos uso de la ecuación de Manning:
cuenta los factores geométricos e hidráulicos de la sección,
topografía
existente,
geología
y
geotecnia
de
la
zona,
materiales disponibles (canteras o mercados más cercanos),
𝑸=
𝑨𝑹
𝟐ൗ
𝟑
𝑺𝟎
𝒏
costo de materiales, beneficiarios, climatología y altitud para la
elección de los materiales.
Si se tienen en cuenta estos factores podremos llegar a una
solución técnica y económica más conveniente.
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Pendiente admissible
•La pendiente, en general, debe ser la mínima que permita
dominar la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez
no causen erosión del material en que esta alojado el canal,
ni depósito de sedimentos.
•La pendiente máxima admisible para canales varia según la
textura. A continuación se muestran las pendientes máximas
recomendable
Valores
de
1/1000,2/1000,3/1000,5/1000,
0.8/1000
ó
0.2/1000 son usuales en la costa del Perú.
Talud Lateral (z)
Borde Libre: B
Depende del material de construcción y el tipo de suelo del canal.
Espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna
Taludes apropiados para distintos tipos de material
regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre,
debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede
originar por causas incontrolables.
En forma práctica se diseña un borde libre del canal igual a un 5 a 30% del
tirante.
𝑩𝑳 = 𝟎, 𝟎𝟓 − 𝟎, 𝟑 𝒚
Según la USBR, recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula
𝑩𝑳 = 𝟎, 𝟓𝟓𝟐𝟏 𝑪𝒚
Para canales revestidos, la USBR (United States Bureau of
Reclamation) recomienda un talud estándar de 1.5:1, sin embargo,
el talud práctico en estos casos es 0.8:1 a 1:1
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Diseño de Canales por SME y SMI
𝑹=
Sección de Máxima Eficiencia Hidráulica (SME)
𝑨
: aumenta cuando para una determinada área, disminuye el
𝑷
perímetro mojado.
Cuando se diseña un canal se debe de tomar en cuenta que tenga
el mínimo volumen de excavación posible.
Una sección de Máxima Eficiencia Hidráulica es aquel que para un
→ a menor P, mayor Q
Sección Trapezoidal de Máxima Eficiencia
área dada tiene el menor Perímetro mojado por lo tanto si se
La SME trapezoidal hidráulica es por la que pasa un Qmax para un Pmín,
diseña un canal con una sección de máxima eficiencia hidráulica se
𝝏𝑷
=𝟎
𝝏𝒚
va a tener la seguridad de tener la mínima excavación posible.
Analizando la ecuación de Manning 𝑸 =
𝑨𝑹𝟐/𝟑 𝑺
𝒏
y manteniendo la pendiente de fondo y rugosidad constantes, se
observa que a mayor Rh habrá mayor transporte de flujo (Q).
Ejercicio 01
Un canal de riego de sección trapezoidal, construido en tierra (n = 0,025),
se usa para regar una superficie de 80 has. El módulo de entrega máxima
fijado por distrito de riego es 2 lt/s/ha.
Determine la sección de máxima eficiencia hidráulica y la pendiente del
canal, para una velocidad en el canal de 0,75 m/s y un talud Z = 1.
Ejercicio 02
Hallar el caudal en un canal de máxima eficiencia hidráulica, sabiendo
que el ancho de solera es de 0,7 m, el espejo de agua 1,9 m, pendiente
0,001 y coeficiente de rugosidad n = 0,025.
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Sección de Mínima Infiltración (SMI)
Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua
por filtración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de
suelo y del tirante del canal.
h
y
parábola
𝑖=𝑘 ℎ
𝑖=𝑘 𝑦
b
𝒃
=𝟒
𝒚
𝟏 + 𝒛𝟐 − 𝒛
Ejercicio 03
Está encargado del diseño de un canal de conducción, que servirá para
regar una superficie de 3000 ha con un módulo de riego de 1,5 lt/s/ha.
B1
Según el trazo del plan topográfico, éste está localizado en un terreno de
pendiente suave. De las muestras, realizadas en el campo, en la zona
donde está localizado el eje del canal, se obtuvo de sus canteras grava de
sección uniforme, limpio y con un talud practico.
B2
W
β
T
m
B.L
1
H
1
y
z
θ
b
Diseñar los elementos necesarios para el diseño (Especificaciones
técnicas).
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Velocidades Máximas y Mínimas
Un canal que no tiene revestimiento es Estable cuando no presenta
sedimentación ni erosión. Mediante el cálculo de la Velocidad mínima o
“velocidad
que no sedimenta” se previene la posibilidad de
sedimentación y mediante el cálculo de la Velocidad máxima
ó no
erosiva se previene la erosión del canal
Velocidad mínima (Vmin)
Las partículas sólidas que son transportadas por el flujo se decantan
(sedimentan) debido a una velocidad baja, según Dubuat, las velocidades
Se entiende por velocidad límite o velocidad mínima a la velocidad que
límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas
debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal y aquella
materias son:
que no permita el crecimiento de plantas acuáticas. En la práctica se
toman valores de velocidad mayores que 0.6 m/s
Abaco para el diseño de canales
Velocidad máxima (Vmax)
La tabla proporciona el rango de velocidades máximas recomendable, en
función de las características del material del canal.
Características del canal
Velocidad máxima
(m/s)
Tierra franca
0.60
Tierra arcillosa
0.90
Piedra y mezcla simple
1.00
Roca Pizarra
1.25
Areniscas consolidadas
1.5
Mampostería de piedra y concreto
2.00
Concreto
3.00
Rocas duras, granito, etc.
3a5
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CANALES NO EROSIONABLES
Pendientes admisibles
No es necesario tomar los valores máximos
Si la velocidad resulta erosivas, reducir la pendiente disminuye la velocidad
Tipo de suelo
Pendiente (S) ‰
Suelos sueltos
0,5 – 1,0
Suelos francos
1,5 – 2,5
Suelos arcillosos
3,0 – 4,5
 Son canales no erosionables los canales revestidos y los
canales sin revestir excavados en lecho rocoso.
 son aquellos canales terminados y construidos que pueden
resistir la erosión satisfactoriamente.
Los canales no erosionables se construyen por las siguientes
razones:
 Permitir el transporte de agua a altas velocidades a través de
terreno con excavaciones profundas o difíciles en forma
económica.
 Permitir el transporte de agua a alta velocidad con un costo
reducido de construcción.
 Disminuir la infiltración, conservando el agua y reduciendo la
sobrecarga en los terrenos adyacentes al canal.
 Reducir el costo anual de la operación y mantenimiento.
 Asegurar la estabilidad de la sección transversal del canal.
EJERCICIOS
Hallar las dimensiones que debe tener un canal trapezoidal diseñado en
Máxima Eficiencia Hidráulica para poder conducir un gasto de 70 m3/s.
La pendiente es de 0,8%o, y el talud es 1.5. El fondo de concreto
frotachado (n=0,015) y los taludes están formado de albañilería de
piedra pulida (n= 0,019)
https://es.slideshare.net/linoolascuagacr
uzado/diseo-de-canales
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