Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

III. DISEO DE CANALES

Un canal se clasifica como una Estructura de Conduccin y sirve a diferentes proyectos

como: Riego, Centrales Hidroelctricas, Abastecimiento de agua potable, Drenaje y otros

que requieran conducir el agua de aun lugar a otro.

3.1 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 prdidas por filtracin, disminuir la rugosidad logrando una mayor

velocidad permisible con lo cual se reduce la seccin transversal.

El espesor del revestimiento puede variar de 2 a 4 pulgadas (5 cm. 10cm) como puede

verse en la figura 3.1, para canales rectangulares el espesor es mayor que para canales

trapezoidales desde un mnimo de 10 cm, hasta un mximo de 20cm.

La construccin de canales revestidos se realiza usando diferentes materiales como

mampostera de piedra, concreto, madera, ladrillo, planchas de fierro, etc., el costo es un

porcentaje importante del costo total del canal y su eleccin de efecta tomando en

cuenta: funcin del canal, materiales de construccin y los medios tcnicos disponibles

en cada zona, para finalmente efectuar una evaluacin tcnico-econmica.

Fig 3.1

Clases de revestimiento

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

3.2 Pendiente y Rasante del canal

Para el diseo de la rasante se debe tener en cuenta:

Las cotas de captacin y entrega del agua.

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 cadas o saltos de agua.

Para definir la rasante del fondo es importante comprobar si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material donde se construir el canal.

Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 0.2/1000 son usuales en la costa del

Per.

Perfil Longitudinal

Una vez definido el trazo del canal, se procede a dibujar el perfil longitudinal de dicho

trazo, las escalas ms usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100

o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relacin entre la escala horizontal y

vertical es de 1 a 10.

El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mnimo la

siguiente informacin. (Ver Planos)

Datos que debe contener un perfil longitudinal

Ejemplo:

PROGRESIVA

(Km)

0+

00

0

0+

02

0

0+

04

0

0+

06

0

0+

08

0

COTA DE TERRENO

80

8.1

63

80

8.0

73

80

7.9

35

80

7.6

80

7.3

96

COTA DE RASANTE

80

7.5

90

80

7.1

90

80

6.7

90

80

6.3

90

80

5.9

90

PENDIENTE 0.02 0.004

SECCION TIPO I II

TIPO DE SUELO Franco arenoso

Kilometraje (Progresiva)

Cota de terreno

Cota de rasante

Pendiente de rasante

Seccin o secciones hidrulicas del canal, indicando su

kilometraje

Tipo de suelo

Indicacin de las deflexiones del trazo con los elementos de

curva

Ubicacin de las obras de arte

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

3.3 Caractersticas Hidrulicas y Geomtricas

Fig 3.2 Elementos Geomtricos de la Seccin Transversal de un Conducto

Las caractersticas hidrulicas y geomtricas estn dadas por el tipo de seccin

transversal e hidrulica del fluido:

Tipo

Q

(m3/s)

S n

z

b

(m)

y

(m)

A

(m2)

V

(m/s)

P

(m)

R

(m) B L

(m)

H

(m)

W

(m)

F

Tipo: tipo de canal a describir

Q: caudal de diseo

S: pendiente del fondo del canal

n: coeficiente de rugosidad de Manning.

b: ancho de solera ancho de plantilla., ancho de la base de un canal

y: profundidad del agua o tirante

A: rea de la seccin transversal

V: velocidad del agua

P: permetro mojado

R: radio hidrulico

B L : borde libre (H y)

H: altura total del canal.

W: ancho total del canal

z: talud lateral

F: nmero de Froude

B1: Banqueta, corona, incluye va de mantenimiento del canal.

Ancho Mnimo 1.20m (buguis), 4m (autos), ssegn la importancia del canal. En

algunos casos la banqueta puede ir en ambos mrgenes.

B2: Berma del camino, puede ser: 0,5, 0,75, 1,00 m.

m: talud de dique de relleno, los valores de diseo varan entre 1.5 y 2; de acuerdo a

la contextura del relleno.

: ngulo de inclinacin de las paredes laterales con la horizontal : ngulo de friccin interna del terreno de corte

m

1

B.L

1 z

B1

H y

b

B2 W

T

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

Tabla 3.1

ngulos de friccin interno y Pesos Especficos de suelos

(Valores medios)

Clase de terreno S (Ton/m3)

Tierra de terrapln seca 37 1.40

Tierra de terrapln hmeda 45 1.60

Tierra de terrapln empapada 30 1.80

Arena seca 33 1.60

Arena hmeda 40 1.80

Arena empapada 25 2.00

Arcilla seca 45 1.60

Arcilla hmeda 22 2.00

Gravilla seca 37 1.83

Gravilla hmeda 25 1.86

Grava de cantos hmedos 45 1.80

Grava de cantos rodados 30 1.80

A: rea hidrulica

P: permetro mojado

Rh: radio hidrulico

:y Profundidad media

Talud Lateral (z)

Depende del material de construccin y el tipo de suelo del canal.

Tabla 3.2

Taludes apropiados para distintos tipos de material

A

T

Ay

P

AR

h

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

Para canales revestidos, la USBR (United States Bureau of Reclamation) recomienda un

talud estndar de 1.5:1, sin embargo, el talud prctico en estos casos es 0.8:1 a 1:1

Borde Libre :B L

Espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija

que se pueda aceptar universalmente para el clculo del borde libre, debido a que las

fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas

incontrolables.

En forma prctica se disea un borde libre del canal igual a un 5 a 30% del tirante.

BL = (0.05 0.3)y

Segn la USBR, recomienda estimar el borde libre con la siguiente frmula

BL: Borde libre en metros

y: Tirante del canal en m.

C : constante

Borde libre en funcin del caudal

Borde libre en funcin de la plantilla del canal

Fuente: Villn Bjar, Mximo; Hidrulica de canales, Dpto. De Ingeniera Agrcola Instituto Tecnolgico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981

C Q

1.5 < 0.56 m3/s

2.5 Hasta 84.95 m3/s

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

3.4 Diseo de Canales por Seccin de Mxima Eficiencia

(SME)

Cuando se disea un canal se debe de tomar en cuenta que tenga el mnimo volumen de

excavacin posible.

Una seccin de Mxima Eficiencia Hidrulica es aquel que para un rea dada tiene el

menor Permetro mojado por lo tanto si se disea un canal con una seccin de mxima

eficiencia hidrulica se va a tener la seguridad de tener la mnima excavacin posible.

Analizando la ecuacin de Manning: n

SARQ

32

y manteniendo la pendiente de fondo y rugosidad constantes, se observa que a mayor Rh

habr mayor transporte de flujo (Q).

Rh = P

A : aumenta cuando para una determinada rea, disminuye el permetro mojado

a menor P, mayor Q

Seccin Trapezoidal de Mxima Eficiencia

La SME trapezoidal hidrulica es por la que pasa un Qmax para un Pmn, 0

y

P

Fig 3.3

)1(22 zz

y

b (3.1)

canal rectangular

090 z , )1(2y

b yb 2

seccin trapezoidal con 60

60 3

3z

3

33

3122

y

b yb

3

32

Relacin entre el Rh y el Tirante: 2

yRh (3.2)

1 z y

b

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

3.4.1 Diseo de Canales por Seccin de Mnima

Infiltracin (SMI)

Se aplica cuando se quiere obtener la menor prdida posible de agua por infiltracin en

canales de tierra, esta condicin depende del tipo de suelo y del tirante del canal.

Seccin de Mnima Infiltracin: )1(42 zz

y

b

3.4.2 Diseo de Canales por SME y SMI

)1(Pr 2 zzomy

b

Relacin plantilla vs tirante para, mxima eficiencia, mnima infiltracin y el promedio

de ambas.

3.5 Diseo de Canales No Erosionables Un canal que no tiene revestimiento es no erosionable cuando no presenta sedimentacin

ni erosin. Mediante el clculo de la Velocidad mnima o velocidad que no sedimenta se previene la posibilidad de sedimentacin y mediante el clculo de la Velocidad

mxima no erosiva se previene la erosin del canal.

Velocidad mnima (Vmin)

Las partculas slidas que son transportadas por el flujo se decantan (sedimentan)

debido a una velocidad baja, segn Dubuat, las velocidades lmites por debajo de las

cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son:

Tabla 3.5

Velocidades de Sedimentacin

Material Velocidad de

Sedimentacin

arcilla 0.081 m/s

arena fina 0.16 m/s

arena gruesa 0.216 m/s

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

Se entiende por velocidad lmite o

velocidad mnima a la velocidad que

debe adquirir el flujo para evitar la

sedimentacin en un canal y aquella

que no permita el crecimiento de

plantas acuticas.

En la prctica se toman valores de

velocidad mayores que 0.6 m/s

Crecimiento de algas en canal debido a baja velocidad del flujo

Velocidad mxima y Fuerza Tractiva Crtica

Es aquella velocidad que no causar erosin

del cuerpo del canal, un valor ms alto de

velocidad podra producir movimiento de las

partculas del lecho del canal.

Cuando el agua fluye en un canal, se

desarrolla una fuerza que acta en la

direccin del flujo sobre el lecho del canal y

es conocida como Esfuerzo Cortante

Fuerza Tractiva. El valor medio de la fuerza

tractiva unitaria es igual a: Falla de puente debido a alta velocidad del flujo entre los pilares

hSW

Tabla 3.6

Velocidad Mxima de Erosin

Revestimiento Variacin de

Velocidad Mxima

(m/s)

Arena suelta muy ligera 0.30 0.45

Suelo arenoso 0.45 0.60

Suelo arenoso grueso 0.60 0.75

Tierra vegetal, suelo aluvial 0.75 0.85

Tierra vegetal arcillosa 0.90 1.15

Suelo arcilloso duro 1.30 1.50

Suelo con grava 1.50 1.80

Conglomerado 1.80 2.40

Roca sedimentaria suave 2.40

Roca dura 3.00 4.50

Concreto fc 140 kg/cm2 3.80 4.40

Concreto fc 210 kg/cm2 6.60 7.40

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

3.6 Diseo de Canales por Mxima Fuerza Tractiva

Para el diseo de canales estables, los esfuerzos cortantes o fuerzas de arrastre del flujo

sobre las paredes de un canal es: hSW

Estas fuerzas no deben ser mayores a los esfuerzos cortantes crticos de fondo y de talud

que se requiere para iniciar el movimiento y no exista arrastre de material.

El esfuerzo cortante crtico de fondo (crf) se halla por medio del Diagrama de Shields y se puede aproximar mediante las ecuaciones de Zanke, si el dimetro medio de la

partcula es conocido:

dg

D3

1

2

*

055.0:150

013.0:15020

04.0:2010

14.0:106

109.0:6

*

29..0**

10..0**

64..0**

5.0**

cr

cr

cr

cr

cr

D

DD

DD

DD

DD

dscrcrf

cri: tensin cortante adimensional crtico crf: tensin cortante crtico de fondo d: dimetro del grano v: viscosidad del agua

: densidad relativa de la partcula (1.65) s: peso especfico del sedimento (2650 kgf/m

3)

Pero el Esfuerzo Cortante no est distribuido uniformemente a lo largo del permetro

mojado, los ingenieros Olsen y Florey (USBR) determinaron que la distribucin del

Esfuerzo Cortante en canales trapezoidales, rectangulares y triangulares, tiene la

siguiente distribucin tpica:

h

max =0.75crt oc

crf = ghS Distribucin de Esfuerzo Cortante en la Seccin de un Canal Trapezoidal

crt: esfuerzo cortante crtico de talud crf: esfuerzo cortante crtico de fondo

El esfuerzo cortante crtico de talud (crt) se halla con el siguiente criterio:

Cap 3

Diseo de Canales

S.Santos H.

2

1cos

tg

tg

crf

crt

: ngulo de la pendiente lateral del canal : ngulo de reposo del material de del canal

Esfuerzos Cortantes mximos sobre los lados y el fondo de varias secciones de canales

trapezoidales - USBR

ngulos de reposo de material no cohesivo USBR

max

t / o

max

f / o