diseño canal con civil cad

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  • SECRETARA DE AGRICULTURA, GANADERA,

    DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIN

    Subsecretara de Desarrollo RuralDireccin General de Apoyos para el Desarrollo Rural

    DISEO HIDRULICODE UN CANAL DE LLAMADA

  • 2

    DISEO HIDRULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

    1. INTRODUCCIN

    Los canales de llamada son estructuras para la

    captacin de agua de escorrenta, los cuales se

    excavan de manera transversal a una ladera

    natural, con diversas dimensiones para alimentar

    a un jagey u olla de agua. Es decir, en obras de

    captacin que carecen de una cuenca aportadora

    bien definida o suficiente para abastecer las

    demandas de agua.

    Estas estructuras, tienen por objeto conducir los

    escurrimientos superficiales de las laderas

    naturales a fin de incrementar la capacidad de

    almacenamiento de un depsito. Tiene la ventaja

    adicional de servir como brecha cortafuego y

    disminuir los efectos de la erosin hdrica.

    2. OBJETIVO

    El presente documento tiene como objetivo fijar

    criterios tcnicos, que sirvan como gua de

    diseo de canales de llamada, as como

    establecer los requisitos mnimos de seguridad

    que deben cubrirse para su correcto

    funcionamiento.

    3. HIDROLOGA

    Con la informacin de intensidades de lluvia y los

    datos topogrficos del terreno, se determina la

    capacidad del canal para conducir

    adecuadamente el gasto mximo de diseo. ste

    canal deber ser capaz de encauzar la

    escorrenta mxima, aportada por ladera

    receptora, que pueda ocurrir en un tiempo

    determinado (Figura 1).

    Figura 1. Diagrama de ubicacin del canal de llamada.

    El volumen de agua que deber recibir un canal

    de llamada depende de diversos factores:

    La mxima intensidad de lluvia que pueda

    ocurrir en un periodo y tiempo

    determinados.

    Caractersticas de la zona vertiente, tales

    como la pendiente, la cubierta vegetal

    existente en el rea, el suelo y sus

    caractersticas de textura e infiltracin, entre

    otras.

    Extensin de la ladera, variable que est

    directamente asociada al rea aportadora

    de escorrenta superficial al canal.

    Para la determinacin del gasto mximo de

    diseo del canal, se recomienda emplear el

    mtodo racional.

    Zona EstableZona

    erosionada

    Canal de desviacin

    Quebrada

    LArea deImpluvio

    Zona de evacuacindel canal

    L : Distancia mas lejana de el rea de impluvio al canal

  • 3

    3.1 CLCULO DEL GASTO MXIMO POR EL

    MTODO RACIONAL

    Este mtodo asume que el mximo porcentaje

    de escurrimiento de una cuenca pequea ocurre

    cuando la totalidad de tal cuenca est

    contribuyendo al escurrimiento, y que el citado

    porcentaje de escurrimiento es igual a un

    porcentaje de la intensidad de lluvia promedio;

    lo anterior se expresa mediante la siguiente

    expresin:

    Donde:

    = gasto mximo, m3/s.

    C = coeficiente de escurrimiento,

    adimensional (Anexo 1).

    I = intensidad mxima de lluvia para un perodo

    de retorno dado, mm/h.

    = rea de la cuenca, ha.

    360 = factor de ajuste de unidades.

    Es el gasto mximo posible que puede

    producirse con una lluvia de intensidad

    en una cuenca de rea y coeficiente de

    escurrimiento C que expresa la fraccin

    de la lluvia que escurre en forma directa.

    Perodo de retorno (T)

    Perodo de retorno es uno de los parmetros

    ms significativos a ser tomado en cuenta en el

    momento de dimensionar una obra hidrulica

    destinada a soportar avenidas.

    El perodo de retorno se define como el intervalo

    de recurrencia (T), al lapso promedio en aos

    entre la ocurrencia de un evento igual o mayor a

    una magnitud dada.

    Debido a la gran variabilidad que sufren las

    precipitaciones de un ao a otro, se recomienda

    dimensionar ste tipo de obras para un periodo

    de retorno de 10 aos.

    Intensidad mxima de lluvia (I)

    Las curvas intensidad-duracin-frecuencia (IDF)

    son bsicas en todo anlisis hidrolgico para la

    estimacin de avenidas mximas por mtodos

    empricos e hidrolgicos (Figura 2). En la

    actualidad ya se cuenta con las curvas IDF de

    todo el pas editadas por la Secretara de

    Comunicaciones y Transportes (SCT), y se

    encuentran disponibles en su portal de internet1.

    Figura 2. Curvas Intensidad-Duracin-Frecuencia (IDF)

    1 http://dgst.sct.gob.mx/fileadmin/Isoyetas/

    1

    10

    100

    1000

    1 10 100 1000 10000

    INTE

    NSI

    DA

    D (

    mm

    /h)

    DURACIN DE LA LLUVIA (minutos)

    2 T

    5 T

    10 T

    25 T

    50 T

    100T500T

  • 4

    Para poder hacer uso de las curvas IDF es

    necesario conocer el tiempo de concentracin de

    la lluvia. Este tiempo se define como el intervalo

    que pasa desde el final de la lluvia neta hasta el

    final de la escorrenta directa. Representa el

    tiempo que tarda en llegar, al aforo, la ltima

    gota de lluvia que cae en el extremo ms alejado

    de la cuenca y que circula por escorrenta

    directa. Por lo tanto, el tiempo de concentracin

    sera el tiempo de equilibrio o duracin necesaria

    para que con una intensidad de escorrenta

    constante se alcance el caudal mximo.

    El tiempo de concentracin se calcula mediante

    la ecuacin:

    Donde:

    = tiempo de concentracin, h

    Lc = longitud del cauce principal de la cuenca, m

    v = velocidad media del agua en el cauce

    principal, m/s

    Otra manera de estimar el tiempo de

    concentracin es mediante la frmula de Kirpich:

    Donde:

    = tiempo de concentracin, h.

    Hc = Desnivel en m, desde la salida hasta el

    punto ms lejano en m.

    Lc = longitud del cauce principal, m.

    4. GENERALIDADES

    4.1 CONCEPTOS BSICOS

    Velocidad mnima. El diseo de canales,

    recubiertos o no, que conducen agua con

    material fino en suspensin, debe considerar que

    la velocidad media del flujo, para el caudal

    mnimo de operacin, sea mayor o igual que la

    necesaria para evitar la sedimentacin del

    material transportado.

    Velocidad mxima. La velocidad mxima de

    operacin en canales, con o sin recubrimiento de

    superficie dura, que conducen agua limpia o

    material en suspensin debe limitarse para evitar

    el socavacin o erosin continua del fondo y

    paredes por turbulencia, abrasin o

    eventualmente cavitacin.

    Taludes. Se refiere a la inclinacin que poseen

    las paredes laterales del canal y las cuales se

    expresan en forma de proporcin. La forma ms

    usada en canales es la trapecial, con taludes que

    dependen del terreno en el cual el canal ser

    excavado (Cuadro 2).

    Borde libre (e). Es el 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 la prctica, en tanto no se

    tengan valores especficos, es recomendable

    usar: e=1/3 d para secciones sin revestimiento y

  • 5

    e = 1/6 d para secciones revestidas; donde d es

    el tirante del canal en metros. Pero siempre

    manteniendo un bordo libre mnimo de 10 cm.

    Seccin hidrulica ptima. La capacidad de

    conduccin de un canal aumenta con el radio

    hidrulico y vara inversamente con el permetro

    mojado. Desde el punto de vista hidrulico, para

    un rea dada, la seccin ms eficiente es aquella

    que tiene el mnimo permetro. Sin embargo, la

    relacin ancho basal/ profundidad quedar

    determinada por un estudio tcnico-econmico.

    4.2 TIPOS DE CANALES

    4.2.1 Canales revestidos

    El revestimiento de un canal satisface uno o

    varios de los objetivos que a continuacin se

    mencionan:

    a) Permitir la conduccin del agua, a costos

    adecuados y velocidades mayores, en reas

    de excavacin profunda o difcil corte.

    b) Disminuir la filtracin y fugas de agua a

    travs del cuerpo del canal y evitar el

    anegamiento u obras de drenaje costosas en

    terrenos adyacentes.

    c) Reducir y homogeneizar la rugosidad, con

    ello las dimensiones de la seccin y los

    volmenes de excavacin.

    d) Asegurar la estabilidad de la seccin

    hidrulica y proteger los taludes del

    intemperismo y de la accin del agua de

    lluvia.

    e) Evitar el crecimiento de vegetacin y reducir la destruccin de los bordos por el paso de animales.

    f) Reducir los costos anuales de operacin y mantenimiento.

    De acuerdo con lo anterior, un buen

    revestimiento debe ser impermeable, resistente

    a la erosin, de bajo costo de construccin y

    mantenimiento, y durable a la accin de agentes

    atmosfricos, plantas y animales.

    En rigor, hasta los canales revestidos de concreto

    pueden ser erosionados por el flujo si se rebasa

    su resistencia a la erosin o se producen otros

    fenmenos ms complejos como son la

    cavitacin, que puede dislocar e incluso destruir

    el revestimiento. Sin embargo, los

    revestimientos de concreto amplan el intervalo

    de resistencia a la erosin y proporcionan un

    mejor desempeo hidrulico.

    Tipos de revestimiento

    Los revestimientos en un canal se construyen de

    varios tipos de material. El llamado de superficie

    dura puede ser a base de concreto simple,

    reforzado o lanzado a alta presin, de concreto

    asfltico, de mampostera (piedra, ladrillo,

    bloques prefabricados, etc). En general, dichos

    materiales satisfacen todos los propsitos antes

    expuestos y ofrecen gran resistencia a la accin

    erosiva del agua. Otros revestimientos son a

    base de materiales granulares, como arcilla,

    tierra compactada o grava, que ofrecen menor

    resistencia a la erosin, pero superpuestos o no,

    sobre una membrana impermeable, disminuyen

    de modo importante las prdidas de agua por

    infiltracin.

    Velocidad Mnima. En general, para evitar el

    depsito de materiales en suspensin se

  • 6

    recomienda disear un canal revestido con una

    velocidad mnima aceptable del orden de 0.4 a

    1.0 m/s.

    Velocidades Mximas. En revestimientos no

    armados, para evitar que los revestimientos se

    levanten por sub-presin, se recomiendan

    velocidades menores de 2.5 m/s. Si el

    revestimiento cuenta con armadura la velocidad

    deber limitarse en funcin de la erosin

    probable.

    4.2.2 Canales no revestidos

    El cuerpo de ste tipo de canales y de los ros se

    forma de materiales con partculas de forma,

    tamao y propiedades diferentes, que varan

    desde grandes piedras a material coloidal. Segn

    sea la intensidad del flujo, el material no siempre

    es capaz de resistir la fuerza de arrastre

    generada por el agua, que crece conforme

    aumenta la velocidad. Este aumento de

    velocidad, generalmente asociado a un

    incremento de pendiente, puede producir

    arrastre del material y su posterior depositacin

    en las zonas donde disminuye la velocidad, lo

    que puede favorecer la inundacin de terrenos

    adyacentes por una disminucin de su capacidad

    hidrulica de conduccin.

    Cuando no hay revestimiento y el material que

    se excava es erosionable, las dimensiones de la

    seccin se eligen para evitar la erosin y la

    sedimentacin apreciable, es decir, se buscar

    impedir el arrastre producido por el flujo en

    cualquier condicin de operacin para que el

    canal sea funcionalmente estable. Esto significa

    que es ms importante que el canal mantenga su

    seccin en equilibrio dentro de los intervalos de

    fluctuacin del gasto, que cualquier otra

    condicin de eficiencia hidrulica, econmica o

    constructiva.

    Un canal no se reviste cuando el material del

    lecho reporta poca perdida de agua,

    generalmente en suelos arcillosos, para los que

    pueden ser suficientes, una vez conformada la

    seccin, la compactacin de su plantilla y

    taludes.

    Velocidad Mxima. Para ste tipo de canales, es

    bsico determinar la seccin con la cual es

    posible conducir el gasto de diseo, sin erosin

    del lecho, a una velocidad igual a la mxima

    permisible. Esta velocidad es incierta ya que los

    lechos en uso soportan, sin erosin, velocidades

    mayores a los recin construidos.

    5. DISEO HIDRULICO DE UN CANAL

    DE LLAMADA

    Especificaciones tcnicas de diseo del canal

    Un canal de desviacin o llamada adecuado,

    segn el terreno, debe conducir el gasto mximo

    a una velocidad mxima que no socave la

    estructura del canal. Obtenida la escorrenta

    mxima y la velocidad mxima permitidas, se

    determina el rea mnima que deber poseer la

    seccin hidrulica, a partir de la cual, el canal

    podr cumplir con las caractersticas de diseo

    sealadas.

  • 7

    Mxima Velocidad del agua

    La mxima velocidad del agua, depende de la

    naturaleza del material, en el cual se construye el

    canal (Cuadro 1).

    Cuadro 1. Velocidades mximas permitidas en canales.

    Material Velocidad media (m/s)

    Suelo Arenoso muy suelto 0.30 - 0.45

    Arena gruesa o suelo arenoso suelto 0.45 - 0.60

    Suelo arenoso promedio 0.60 - 0.75

    Suelo franco arenoso 0.75 - 0.83

    Suelo franco de aluvin o ceniza

    volcnica 0.83 - 0.9

    Suelo franco pesado o franco arcilloso 0.90- 1.2

    Suelo arcilloso 1.20 - 1.50

    Conglomerado, cascajo cementado,

    pizarra blanda, hard pan, roca

    sedimentaria blanda

    1.80 - 2.40

    Roca dura o Mampostera 3.00 - 4.50

    Concreto 4.50 6.00

    rea mnima de diseo

    El diseo de un canal de llamada, requiere de

    una serie de iteraciones, a partir de una seccin

    transversal del canal, la cual, como mnimo,

    debiera tener una superficie igual o mayor a la

    calculada segn la Ecuacin:

    Donde:

    Vmax: Mxima velocidad permitida, m/s.

    Qmax: Escorrenta crtica o gasto mximo de

    diseo, m3/s.

    5.1 DISEO DE LA SECCIN TRANSVERSAL

    Una vez conocidas las especificaciones de gasto

    mximo, mxima velocidad permitida y rea

    mnima, se deber realizar una serie de

    iteraciones, de sucesivas secciones transversales,

    a fin de encontrar aquella seccin que sea capaz

    de trasladar de manera segura el caudal para el

    cual se disea.

    Se debe considerar, para una misma seccin

    transversal, aqulla capaz de trasladar un mayor

    caudal, es decir, la que posea el mayor radio

    hidrulico (proporcin entre el rea transversal

    Ac y el permetro mojado).

    Para este fin se propone la metodologa que se

    describe a continuacin:

    a) Seleccin de rea, para la primera iteracin,

    se recomienda utilizar un rea igual o

    superior al rea mnima de diseo.

    b) Determinacin de parmetros de la seccin

    transversal base y taludes, segn las

    condiciones del terreno.

    c) Clculo de los parmetros de tirante del

    canal (d), longitud de la superficie libre del

    agua (S.L.A), taludes (Z), longitud de taludes

    inferior y superior (Linf y Lsup) y radio

    hidrulico (r) (Figura 3).

    d) Asignacin de la pendiente del canal (segn

    las condiciones del terreno) y determinacin

    de un coeficiente de rugosidad n (Cuadro 3).

    e) Clculo del caudal y velocidad de transporte

    del canal.

  • 8

    Figura 3 Seccin transversal de un canal.

    f) Si el canal no satisface las especificaciones

    tcnicas, se procede a un nuevo diseo,

    segn las opciones:

    g) Modificacin de la pendiente y luego se

    realiza nuevamente la prueba de control.

    h) Modificacin de la seccin transversal (se

    recomienda un aumento de un orden del 5-

    10% respecto a la ltima iteracin),

    volviendo a la secuencia a partir del punto b

    de esta seccin.

    Aprobadas las condicionantes tcnicas, el perfil

    de canal podr ser implementado en terreno.

    Clculo de los componentes de la seccin transversal

    Los datos de entrada para el diseo del canal,

    son los siguientes:

    Ac = rea de seccin transversal del canal

    (Superior al rea mnima).

    b = base del canal.

    Zinf = Talud inferior.

    Zsup = Talud superior.

    rea (Ac): rea de diseo; se recomienda utilizar

    como primera iteracin el rea mnima de diseo

    (Amn) o una levemente superior, y aumentar en

    cada iteracin entre un 5 10 %, hasta encontrar

    el diseo adecuado.

    Base (b): Valor predefinido, normalmente igual

    a 0.2 m.

    Talud inferior y superior: Es importante en la

    determinacin de los taludes del canal, que stos

    sean adecuados para cada tipo de suelo o

    revestimiento, de modo que el canal no se

    erosione (Zinf. Zsup.), teniendo cuidado de

    manera especial en obras de conservacin

    desarrolladas en suelos de texturas livianas

    (arenosas), las cuales deben tener taludes

    mayores.

    Los taludes recomendados para la seccin

    trapecial de un canal se muestran en el Cuadro 2.

    Cuadro 2. Taludes recomendados para la seccin trapecial

    de un canal para diferentes tipos de suelo.

    Material Talud (Z)

    Roca completamente sana Vertical

    Roca ligeramente alterada 0.25:1

    Mampostera 0.40:1

    Tepetate duro, roca alterada 1.00:1

    Concreto 1:1 o 1.25:1

    Tierra algo arcillosa, tepetate blando, arenisca

    blanda, etc. 1.5:1

    Material poco estable, arena tierra arenosa, etc. 2.0:1

    Con la siguiente frmula se hace la

    determinacin de la altura de la seccin

    transversal de un canal (d).

    b:base

    d:

    Tir

    an

    te d

    el

    ca

    na

    l

    Talu

    d s

    up

    eri

    or

    Z:1

    Perimetro mojado

    Talu

    d in

    ferio

    r Z:1

    Longitu

    d in

    ferio

    r: Lin

    f

    Lo

    ng

    itu

    d s

    up

    eri

    or:

    Lsu

    p

    S.L.A=Superficie libre del agua

    Area transversal

    del canal

    e=Libre bordo

  • 9

    ( )

    ( )

    (5)

    Una vez calculada la altura se procede al clculo

    de las siguientes componentes de la seccin

    transversal del canal:

    Clculo de la longitud de la superficie libre del

    agua de la seccin transversal del canal de

    llamada (L.S.L.A):

    ( ) ( )

    Clculo de longitud de Talud inferior ( infL ):

    ( )

    Clculo de longitud de taludes superiores ( supL ):

    ( )

    Clculo del radio hidrulico (r) para una seccin

    trapezoidal:

    ( )

    Opcionalmente, para comprobar si los clculos

    de los parmetros de la seccin transversal

    fueron correctos, se recomienda calcular el rea

    de la seccin transversal con la ecuacin 10, que

    debiera ser igual al rea de diseo Ac.

    Clculo de rea de la seccin transversal

    Donde:

    Ac = rea de la seccin del canal, m2.

    b = plantilla del canal, m.

    L.S.L.A. = longitud de la superficie libre del agua

    m.

    d = tirante del canal, m.

    5.2 CAPACIDADES DEL CANAL DISEADO

    Una vez diseada la seccin transversal del canal,

    es asignada una pendiente para el canal, y se

    determina el coeficiente de rugosidad del canal

    que corresponde a las condiciones de terreno

    (Cuadro 3).

    Cuadro 3. Valores de n para frmulas de Manning

    (Arteaga, 2002).

    Material Mnimo Normal Mximo

    Roca (con salientes y sinuosas) 0.035 0.04 0.05

    Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.04

    Tierra (alineado y uniforme) 0.017 0.02 0.025

    Tierra (construido con draga) 0.025 0.028 0.033

    Mampostera seca 0.025 0.03 0.033

    Mampostera con cemento 0.017 0.02 0.025

    Concreto 0.013 0.017 0.02

    Asbesto cemento 0.09 0.01 0.011

    Polietileno o PVC 0.007 0.008 0.009

    Fierro fundido 0.011 0.014 0.016

  • 10

    Material Mnimo Normal Mximo

    Acero remachado en espiral 0.013 0.015 0.017

    Con estos valores se calcula la velocidad y el

    caudal que transportar el canal por medio de

    las ecuaciones de Manning descritas a

    continuacin:

    Donde:

    Vc = Velocidad media del agua en el canal, m/s.

    Qc = Caudal del canal, m3/s.

    n = coeficiente de rugosidad de Manning,

    adimensional.

    r = radio hidrulico (rea transversal del canal,

    m2; Ecuacin 9).

    s = pendiente del canal, adimensional

    Ac = rea del canal, m2 (Amn = 3).

    5.3 PRUEBA DE CONTROL DE

    ESPECIFICACIONES TCNICAS DEL

    CANAL.

    Obtenidos los valores del caudal y velocidad se

    verifica si el diseo del canal se encuentra

    realizado en concordancia con las

    especificaciones tcnicas. De no ser as, se

    deber realizar un nuevo diseo (modificando la

    pendiente y/o la seccin transversal), que deber

    someterse nuevamente a verificacin, y as

    sucesivamente hasta encontrar el diseo

    adecuado.

    Clculo de la velocidad de una canal segn

    Manning:

    Condicionantes Tcnicas

    De esta forma el diseo de un canal deber

    cumplir con las siguientes especificaciones:

    rea del canal, sea mayor o igual que el rea

    mnima (A mn = Qmx/Vmx en donde Qmx =

    gasto mximo; y Vmx: Velocidad mxima

    permitida):

    Gasto mximo (Qmx), sea menor que el caudal

    Qc determinado para el canal diseado:

    La velocidad del flujo del canal, sea menor

    que la velocidad mxima permitida segn las

    caractersticas del canal diseado (Vmx):

    5.4 EJEMPLO DE DISEO

    En base a lo que se describi, en los apartados

    anteriores, se procede a hacer los clculos para

    el diseo de un canal y se presentan como

    ejemplo los resultados con datos obtenidos de

    un levantamiento topogrfico, teniendo la

  • 11

    longitud total del cauce (Lc) del cual se desviar

    el agua, el desnivel (Hc) y longitud del canal de

    desviacin.

    Adems, es necesario contar con la superficie

    (ha) de todo el terreno cuyas aguas vayan a

    verterse sobre el canal; dicho dato se puede

    obtener a travs de la delimitacin del rea y de

    un modelo digital de elevacin.

    1) Clculo del gasto de diseo o gasto crtico.

    Clculo de intensidad de precipitacin, mediante

    la frmula de Kirpich.

    (Tc) Tiempo de concentracin (min) 17.29

    Coeficiente de duracin 0.52

    Periodo de Retorno (aos) 10

    Precipitacin (Pt) (mm) 26.42

    Intensidad (I = mm/hr) 91.71

    Gasto de diseo o crtico (m3/seg) 1.88

    2) Diseo hidrulico y dimensionamiento

    del canal.

    Para este ejemplo se tiene un material de suelo

    franco arcilloso y la velocidad mnima de acuerdo

    al Cuadro 1, tiene una velocidad media de 0.9

    m/s, con lo que da:

    rea mnima de diseo (m2) 2.088

    Se propone la base, la altura, el talud superior e

    inferior de acuerdo a los taludes recomendados

    en el Cuadro 2 para tierra algo arcillosa, con el

    fin de obtener la superficie libre del agua, ngulo

    y longitud de los taludes superior e inferior

    respectivamente:

    Longitud canal de

    desviacin (m) Base (m) Altura (m) S.L.A. (m)

    600 0.70 0.80 3.10

    Talud superior (aguas arriba)

    1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

    1.50 56.31 1.442

    Talud Inferior (aguas abajo)

    1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

    1.50 56.31 1.000

    Posteriormente se calcula:

    rea Seccin Transversal (m2) 1.52

    Volumen conducido en todo lo largo del canal (m3) 912.00

    Radio Hidrulico (m) 0.484

    Se deduce la pendiente con la siguiente frmula:

    [

    ]

    n (canal propuesto; valor segn tabla) 0.023

    Pendiente del canal (en decimal) 0.001

  • 12

    3) Resultados y condiciones de funcionamiento del canal de llamada.

    REQUERIMIENTOS TCNICOS CARACTERSTICA CANAL

    DISEADO CONTROL

    COMPROBACIN DE

    CONDICIONANTES TCNICAS

    rea Mnima (Q/V)

    Q (esc. crtico): V (vel. Max. Permitida) 2.09 rea de diseo 1.53 REDISEO

    rea Mnima >

    rea de

    Diseo 2.088

    Q (esc. crtico)

    Caudal mnimo del canal 1.88 Q caudal estimado 1.35 REDISEO

    Escorrenta Crtica >

    Q caudal

    estimado (Mnima)

    Mxima Velocidad permitida 0.90 V : Velocidad

    estimada 0.88 ACEPTADO

    Mxima Velocidad

    (Vmax) >

    V:velocidad

    estimada

    6. TRAZO

    En virtud que los canales de llamada se trazan

    transversalmente a la pendiente dominante de la

    ladera, la cimentacin del terrapln debe

    banquearse como se muestra en la Figura 4.

    La distancia AB vara de 4 a 5 veces el tirante

    para suelos de grava de primera clase con

    arcilla suficiente para asegurar cohesin, y de

    8 a 10 veces para suelos ms ligeros o arcillosos.

    En cualquier caso, el terrapln debe ser

    suficientemente grande para prevenir fugas

    excesivas y tubificacin, o bien, tener un corazn

    impermeable o un revestimiento. En el clculo

    del libre bordo del canal debe preverse el

    asentamiento que va a sufrir el terrapln.

    Sobre las laderas, el trazo del canal debe seguir

    en lo posible las curvas de nivel del terreno, con

    pendientes longitudinales que varen entre 0.001

    y 0.002. De este modo, las curvas horizontales,

    para cambiar la direccin del canal, afectan las

    cantidades de corte y relleno. Por otra parte, los

    contornos resultantes de las curvas de nivel, en

    terrenos accidentados, pueden ser demasiado

    irregulares para ser seguidos por un canal de

    tamao apreciable. En ste ltimo caso,

    laprofundidad del corte debe variar, pero

    buscando la compensacin entre los tramos de

    corte en exceso con los de relleno en dficit. Esto

    implica que debe analizarse la curva masa para

    mantener las distancias de acarreo en mrgenes

    econmicamente viables.

    Figura 4. Corte y relleno en ladera.

    Es necesario considerar las condiciones

    geolgicas del terreno, ya que influyen en forma

    decisiva sobre la ubicacin del canal y la

    determinacin de sus secciones transversales.

    Por ellos se deben explorarse las formaciones

    geolgicas, disposiciones de los estratos, fallas,

    calidad de la roca (grado de fisuramiento,

    permeabilidad, resistencia, tendencia al

    intemperismo, etc.) en cortes y rellenos,

    tomando en cuenta su profundidad o altura, la

  • 13

    cimentacin de los muros del canal y del relleno,

    as como la extensin y calidad del

    revestimiento.

    7. METODOLOGA PARA EL TRAZO DE

    UN CANAL CON CIVIL CAD

    Cuando se trata de trazar un canal de llamada es

    necesario recolectar la informacin que pueda

    conjugarse para su buen trazo:

    a) Fotografas areas para localizar el rea

    de estudio.

    b) Planos topogrficos y catastrales.

    c) Estudios geolgicos, suelos y vegetacin.

    Una vez obtenida la informacin cartogrfica

    necesaria, en escala 1:50,000 o menor, se

    procede en gabinete a identificar un trazo

    preliminar, el que se replantea en campo y se le

    hacen los ajustes necesarios para identificar el

    trazo definitivo.

    En el caso de no existir informacin topogrfica

    bsica se procede a levantar el relieve por donde

    pasar el canal, procediendo con los siguientes

    pasos:

    d) Reconocimiento del terreno

    Se recorre la zona anotando todos los detalles

    que influyen en la determinacin de un eje

    probable de trazo, estableciendo el punto inicial

    y punto final.

    e) Trazo preliminar

    Se procede a levantar la zona con una brigada

    topogrfica, clavando en el terreno las estacas de

    la poligonal preliminar y luego el levantamiento

    con equipo topogrfico. Posteriormente a este

    levantamiento se nivelar la poligonal y se har

    el levantamiento de secciones transversales.

    Estas secciones se harn de acuerdo a criterio, si

    es un terreno con una alta distorsin de relieve,

    la seccin se hace a cada 5 m; si el terreno no

    muestra muchas variaciones y es uniforme la

    seccin, mximo cada 20 m.

    f) Trazo definitivo

    Con los datos del trazo preliminar se procede al

    trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del

    plano, la cual depende bsicamente de la

    topografa de la zona y de la precisin que se

    desea.

    La metodologa que se explica a continuacin, es

    para datos obtenidos de un levantamiento

    topogrfico de parcelamiento con coordenadas

    (x,y,z), adems de auxiliarse con los softwares

    AutoCad y CivilCad, para obtener volmenes con

    una seccin de canal tipo trapezoidal.

    Es importante destacar que habr algunos pasos

    que no se detallarn, ya que se exponen en el

    Instructivo de Topografa para Obras COUSSA.

    Primero se debe definir la pendiente de diseo,

    las caractersticas geomtricas y las propiedades

    hidrulicas del canal.

    Importar puntos

    Con el CivilCad se establece estilo y tamao de

    letra para proceder a importar las coordenadas

    del levantamiento; en seguida se identifican los

    puntos correspondientes a las parcelas y se unen

    stos con polilneas para obtener los polgonos

    del parcelamiento (Figura 5).

  • 14

    Figura 5. Unin de puntos.

    Triangulacin

    Esto hace posible poder dibujar los puntos de

    proyecto con coordenadas XYZ y producir la

    triangulacin y curvas de nivel de proyecto

    (Figura 6).

    Figura 6. Triangulacin.

    Curvas de nivel

    Obtener las curvas de nivel a cada 20 m,

    anotando las elevaciones en las curvas (Figura 7).

    Figura 7. Curvas de nivel.

    Ubicacin del canal

    Trazar con una polilnea por dnde va a estar la

    ubicacin del canal; es importante tomar en

    cuenta la pendiente del terreno en base a las

    curvas de nivel (Figura 8).

    Figura 8. Ubicacin del canal.

    Cadenamiento

    Para obtener la longitud del canal es necesario

    cadenar, por lo que hay que marcar estaciones

    en el eje de proyecto, ya sea a intervalos

    regulares, puntos seleccionados o por distancia a

    la estacin inicial (Figura 9).

    Perfil del canal

    Generar el perfil del terreno especificando escala

    horizontal y vertical (Figura 10).

    TRAZO DE CANAL

  • 15

    Figura 9. Cadenamiento del canal.

    Figura 10. Perfil del canal.

    Pendiente del perfil

    Anotar pendiente en segmentos de perfil en

    forma automtica o manual, usando las

    siguientes instrucciones: CivilCad, Altimetra,

    Perfiles, Anotar, Pendiente (Figura 11).

    Seleccionar el perfil, indicar Manual (M), elegir

    primer punto (estacin 0+000) y segundo punto

    que corresponde a la longitud total del canal

    (Figura 12).

    Generar perfil de proyecto con la pendiente que

    se calcula, es decir, por cada kilmetro que se

    avanza debe de bajar cierto desnivel y as hasta

    obtener el total que se debe bajar en la longitud

    total del canal (Figura 13).

    Figura 11. Secuencia para generar pendiente del perfil.

    Figura 12. Pendiente del perfil.

    Figura 13. Desnivel para generar perfil de proyecto.

    Ubicar la polilnea con el desnivel en el perfil

    generado. Dicha polilnea ser llamada perfil del

    CADENAMIENTO

    DATOS DE ESTACIN ESCALA

    PERFIL DEL TERRENO

    PERFIL DEL TERRENO PENDIENTE

    ESCALA DATOS DE ESTACIN

    PUNTO 1

    DESNIVEL

    PUNTO 2

  • 16

    proyecto, que no se debe de colocar en el

    misma elevacin donde inicia el perfil del terreno

    (km 0+000). Hay que tomar en cuenta los datos

    de libre bordo y tirante del canal, (por ejemplo bl

    o l.s.l.a =0.30m y d=0.80m), para el ejemplo

    prctico, y obtener cortes y rellenos; una tercera

    parte ir enterrada (1.10/3=0.37m), y se

    generar una polilnea vertical (0.37m), tal como

    se muestra en la Figura 14.

    Figura 14. Ubicacin del perfil del proyecto con respecto

    al perfil de terreno.

    Al verificar el perfil del terreno, respecto al de

    proyecto, nos indica mayor volumen de relleno

    que de excavacin, por lo que se recomienda, en

    el perfil del proyecto, cadas hidrulicas, segn lo

    requiera la topografa (Figura 15).

    Figura 15. Volumen de relleno excesivo en la ubicacin

    del perfil del proyecto con respecto al de terreno.

    Una vez identificadas las cadas, dibujar con

    polilnea el nuevo perfil del proyecto (Figura 16).

    Convertir la polyline que se dibuj con cadas a

    perfil de proyecto.

    El perfil de proyecto define la elevacin de las

    rasantes o subrasantes de proyecto. El programa

    calcula la elevacin inicial y final de rasantes del

    perfil si ya estn definidas o condicionadas, en

    caso contrario utiliza como referencia la

    elevacin inicial y final del perfil de terreno; se

    llevan a cabo las siguientes instrucciones:

    CivilCad, Altimetra, Perfiles, Proyecto, Convertir

    (Figura 17).

    Seleccionar perfil del proyecto y perfil de

    terreno.

    Copiar nicamente perfil de terreno del

    proyecto, en otro apartado, para generar la

    retcula y obtener los datos necesarios para

    generar el volumen de cortes y rellenos.

    Retcula

    Civil Cad, Altimetra, Perfiles, Retcula (Figura 18).

    Al activar la secuencia de retcula, muestra la

    caja de dilogo, donde se selecciona: Terreno y

    proyecto, aceptar (Figura 19).

    PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

    PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

  • 17

    Figura 16. Perfil del proyecto con cadas.

    Figura 17. Secuencia para convertir perfil con cadas a

    perfil del proyecto.

    Figura 18. Secuencia para generar retcula en perfil.

    Figura 19. Caja de dilogo para retcula en perfiles.

    COPIA PERFIL DEL PROYECTO

    PERFIL DEL TERRENO

    PERFIL DEL PROYECTO CON CADA

    PERFIL DEL PROYECTO

  • 18

    Seleccionar perfil del terreno y del proyecto

    (Figura 20).

    Figura 20. Seleccin de perfiles para generar retcula.

    El programa de CivilCad genera el perfil con

    retcula en el que muestra terrapln, corte,

    subrasante y terreno (Figura 21).

    Figura 21. Perfil con retcula, terrapln, corte, subrasante

    y terreno.

    Secciones

    Para generar las secciones, se debe tener puntos

    suficientes por donde pasa el trazo del canal, por

    lo que es recomendable unir e insertar puntos,

    para generar todas las secciones. Para dicha

    unin usamos: CivilCad, Puntos, Terreno, Unir

    (Figura 22).

    Figura 22. Secuencia para unir puntos.

    El CivilCad pide que si considerar elevacin: Si (S)

    e indicar el punto inicial (Figura 23).

  • 19

    Figura 23. Unin de puntos considerando elevacin.

    Mostrar el siguiente punto, y as sucesivamente;

    ello va generando una serie de polilneas sobre

    las cuales se insertarn los puntos, usando:

    CivilCad, Puntos, Terreno, Insertar (Figuras 24, 25

    y 26).

    Al momento de ir insertando los puntos se

    pueden enumerar.

    En este caso no se enumerarn los puntos por lo

    que se marca No (N).

    Se introducen los puntos encima de las polilneas

    generadas en el paso anterior (Figura 27).

    Para verificar que se haya generado el punto, se

    le da zoom y para conocer las coordenadas del

    punto generado, se le da click en properties y se

    despliega un cuadro que indica la posicin del

    punto (Figura 28).

    Figura 24. Secuencia para insertar puntos.

    Figura 25. Insercin de puntos.

  • 20

    Figura 26. Serie de polilneas con puntos insertados.

    Figura 27. Insercin de puntos del eje de la planta del

    perfil sobre la interseccin de las polilneas generadas.

    Figura 28. Coordenadas de punto insertado.

    Una vez que se tienen los suficientes datos, se

    procede a generar las secciones transversales,

    seleccionando el eje del proyecto, creando todas

    las secciones e indicando los datos

    correspondientes en la caja de dilogo (Figura

    29).

    Figura 29. Seccin transversal generada.

    Cortes y rellenos

    Para obtener cortes y rellenos, es necesario

    dibujar la seccin tipo con sus caractersticas

    geomtricas (Figura 30).

    Figura 30. Caractersticas geomtricas del canal para

    obtener volumetra.

    Verificar en la seccin la elevacin del terreno

    natural con respecto a la elevacin del perfil en

  • 21

    la subrasante. Por ejemplo en el km 0+000, si se

    tiene una elevacin en la seccin de 1765.12

    menos la que nos marca el perfil de 1764.93 es

    igual a 0.19.

    Entonces en la seccin 0+000 hacer un offset

    (desfase) de 0.19 y ubicar la seccin tipo.

    Figura 31. Offset con respecto a la elevacin del terreno

    natural con el perfil de la subrasante.

    Eliminar el desfase generado, ya que solo sirve

    para guiarse y colocar la seccin tipo del canal.

    Convertir la seccin tipo de canal a seccin de

    proyecto, a travs de: CivilCad, Secciones,

    Proyecto, Convertir (Figura 32).

    Seleccionar seccin de proyecto y de terreno

    (Figura 33).

    La seccin se convierte a proyecto. Lo que sigue

    es anotar (CivilCad, Secciones, Anotar) datos en

    secciones de proyecto en forma manual o

    automtica (Figura 34).

    Figura 32. Secuencia para convertir seccin tipo a

    proyecto.

    Figura 33. Seleccin de seccin de proyecto y de terreno.

    SECCIN TIPO DEL CANAL

    SECCIN DEL TERRENO

    OFFSET DE 0.19

  • 22

    Figura 34. Secuencia para anotar datos en secciones.

    Al activar esta rutina, aparece la siguiente caja

    de dilogo, en la que se indicarn los datos

    que se requieran y que aparezcan en cada una

    de las secciones (Figura 35).

    Figura 35 Caja de dilogo para anotar datos en secciones.

    Los datos que pueden anotarse manual o

    automticamente son: pendiente, talud, offset,

    rasante, elevacin de terreno natural y rea.

    Se puede especificar un rango de valores para

    considerar la pendiente como talud, indicando

    la relacin horizontal/vertical. Los prefijos que

    se anteponen a los datos anotados pueden

    modificarse en la caja de dilogo

    correspondiente.

    Seleccionar la seccin del canal y seccin de

    terreno; en seguida aparecer la seccin con los

    datos seleccionados en la caja de dilogo de

    secciones (Figura 36).

    Figura 36. Seccin con volumetra.

    El procedimiento para obtener rea de terrapln

    y rea de corte, se hace para cada una de las

    secciones.

    En una hoja de EXCEL, se suman las reas de

    cada seccin y se obtiene el volumen total de

    terrapln y corte, como se muestra en el

    siguiente ejemplo:

  • 23

    Estacin rea de

    terrapln A1+A2 d/2 Volumen

    Volumen

    acumulado

    0+000 1.61

    10 0

    0+020 2.04 3.65 10 36.5 36.5

    0+040 2.62 4.66 10 46.6 83.1

    Estacin rea de

    corte A1+A2 d/2 Volumen

    Volumen

    acumulado

    0+000 0.21

    10 0

    0+020 0.05 0.26 10 2.6 2.6

    0+040 0.00 0.05 10 0.5 3.1

    8. BIBLIOGRAFA

    ArqCOM. 2011. Ayuda de usuario para CivilCad y

    AutoCad.

    Arteaga, T. R. E. 2002. Hidrulica elemental.

    Departamento de Irrigacin, UACh, Mxico.

    DGOP. 2002. Manual de carreteras, Instrucciones

    y criterios de diseo, Volumen 3. Direccin

    General de Obras Pblicas, Direccin de Vialidad,

    Ministerio de obras pblicas, Chile.

    Sotelo, A. G. 2002. Hidrulica de canales. UNAM.

    Mxico.

    ELABORARON:

    Dr. Mario R. Martnez Menes Dr. Demetrio S. Fernndez Reynoso Ing. Ma. Clara Elena Mendoza Gonzlez Ing. Rodiberto Salas Martnez Ing. Hilario Ramrez Cruz

    Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la

    Unidad Tcnica Especializada (UTE) COUSSA

    www.coussa.mx

    Dr. Mario R. Martnez Menes [email protected] Dr. Demetrio S. Fernndez Reynoso [email protected] Telfono: (01) 595 95 5 49 92

    Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, Mxico.

  • 24

    ANEXO 1.

    De acuerdo a la norma oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000 conservacin del recurso agua, el

    coeficiente de escurrimiento se determina a partir de los siguientes procedimientos:

    Transferencia de informacin hidromtrica y climatolgica de cuencas vecinas,

    hidrolgicamente homogneas.

    En la cuenca vecina se determinan los coeficientes de escurrimientos anuales (Ce), mediante

    la relacin de volumen escurrido anualmente (Ve), entre el volumen de precipitacin anual

    (Vp) correspondiente.

    Con los valores del volumen de precipitacin anual y el coeficiente de escurrimiento anual,

    obtenidos en la cuenca vecina, se establece una correlacin grfica o su ecuacin matemtica.

    Con apoyo de la ecuacin matemtica o en la grfica -y al utilizar los valores del volumen de

    precipitacin anual de la cuenca en estudio- se estiman los correspondientes coeficientes

    anuales de escurrimiento.

    En funcin del tipo y uso de suelo y del volumen de precipitacin anual, de la cuenca en

    estudio.

    A falta de informacin especfica, con apoyo a los servicios del Instituto Nacional de

    Estadstica, Geografa e Informtica (INEGI) y de visitas de campo, se clasifican los suelos de la

    cuenca en estudio, en tres diferentes tipos: A (suelos permeables); B (suelos medianamente

    permeables); y C (suelos casi impermeables), que se especifican en el Cuadro 1. Y al tomar en

    cuenta el uso actual del suelo, se obtiene el valor del parmetro K.

  • 25

    Cuadro 4. Valores de K, en funcin del tipo y uso de suelo.

    TIPO DE SUELO CARACTERSTICAS

    A Suelos permeables, tales como arenas profundas y loess poco compactos

    B Suelos medianamente permeables, tales como arenas de mediana profundidad: loess algo mas compactados que los correspondientes a los suelos A; terrenos migajosos

    C Suelos casi permeables, tales como arenas o loess muy delgados sobre una capa impermeable, o bien arcillas

    USO DEL SUELO TIPO DE SUELO

    A B C

    Barbecho, reas incultas y desnudas Cultivos: En hilera Legumbres o rotacin de praderas Granos pequeos Pastizales: % del suelo cubierto o pastoreo Ms del 75% poco Del 50 al 75% regular Menos del 50% excesivo Bosque: Cubierto ms del 75% Cubierto del 50 al 75% Cubierto del 25 al 50% Cubierto menos del 25% Zonas urbanas Caminos Praderas permanentes

    0.26

    0.24 0.24 0.24

    0.14 0.20 0.24

    0.07 0.12 0.17 0.22 0.26 0.27 0.18

    0.28

    0.27 0.27 0.27

    0.20 0.24 0.28

    0.16 0.22 0.26 0.28 0.29 0.30 0.24

    0.30

    0.30 0.30 0.30

    0.28 0.30 0.30

    0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.33 0.30

    Si en la cuenca de estudio existen diferentes tipos y usos de suelo, el valor de K se calcula

    como la resultante de subdividir la cuenca en zonas homogneas y obtener el promedio

    ponderado de todas ellas.

    Una vez obtenido el valor de K, el coeficiente de escurrimiento anual (Ce), se calcula mediante

    las formulas siguientes:

    K: PARMETRO QUE DEPENDE DEL TIPO Y USO DEL SUELO COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO MEDIO ANUAL (Ce)

    Si K resulta menor o igual a 0.15

    Si K es mayor que 0.15

    P = precipitacin anual, en mm.

    El rango donde las frmulas se consideran validas es para valores de precipitacin anual entre 350 y

    2150 mm.

  • 26

    La transpiracin est incluida en el coeficiente de escurrimiento.

    En aquellos casos en que se cuente con estudios hidrolgicos y se conozcan los coeficientes de

    escurrimiento, stos se podrn usar para el clculo del escurrimiento.

    Informacin requerida:

    Procedimiento de clculo y metodologa para determinar la precipitacin media anual en la

    cuenca.

    Procedimiento de estimacin y consideraciones para determinar el coeficiente de

    escurrimiento.

    Relacin de las estaciones climatolgicas utilizadas para determinar los escurrimientos,

    indicando sus coordenadas geogrficas, as como las entidades federativas a las que

    pertenecen, poblaciones prximas importantes y cualquier otra informacin de utilidad que

    permita hacer ms claro el clculo del volumen anual de escurrimiento natural.

    En el caso de que en la cuenca en estudio no cuente con suficiente informacin hidromtrica ni

    pluviomtrica, o ambas sean escasas, el volumen medio anual de escurrimiento natural se determina

    indirectamente transfiriendo la informacin de otras cuencas vecinas de la regin, mismas que se

    consideran homogneas y que cuentan con suficiente informacin hidromtrica o pluviomtrica; para

    ello se requiere la siguiente informacin:

    Nombre y rea la de cuenca hidrolgica o subcuenta en estudio.

    Ubicacin de la cuenca hidrolgica en cartas hidrogrficas, indicando su localizacin con

    respecto a la regin o subregin hidrolgica y entidades federativas a las que pertenece.

    Nombre de las estaciones hidromtricas y su ubicacin sobre el cauce principal.

    Volmenes de extraccin de la cuenca hidrolgica en estudio y sus diversos usos.

    Notas aclaratorias necesarias.

    Informacin pluviomtrica e hidromtrica de por lo menos 20 aos de registro.

    Descripcin del mtodo aplicado, as como la justificacin de su empleo en esa cuenca,

    subcuenca o punto especfico.

    Relacin de las variables significativas de la cuenca, empleadas en el coeficiente de

    escurrimiento.

    Resultados de las pruebas de homogeneidad hidrolgica, climatolgica, y fisiogrfica de las

    cuencas vecinas y/o registros empleados en la trasferencia de informacin.