CUARTA PRÁCTICA DE CAMPO: GEOLOGÍA APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN DE CANALES

1. Defina lo que es un canal y mencione como se clasifican (Descríbalos)

Los canales son conductos en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera.

Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre), dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).

Al mencionar el término canal nos podemos referir a toda zanja o trinchera que conduce agua, ya sea por su sección, pero corresponde de hechos u obras ingenieriles con fines diferentes.

Podemos decir también que un canal es un Alveo, o cauce artificial por donde se conduce el agua para riegos, navegación, abastecimiento de poblaciones, etc.

Tenemos dentro de los tipos de canales:

Canales de navegación, que desde ya son clásicos. En estos canales el agua circula a una velocidad extremadamente reducida, circunstancias que puede ser a la larga favorable para el enbalsamiento , a menos que las bocatomas superiores no sean alimentadas por un embalse o se produzca una larga decantación previa.

Canales de derivación fluvial, destinados a comunicar una zona irrigada, o canales para hacer funcionar una central eléctrica. En estos canales la velocidad de circulación del agua es suficientemente elevada y la preocupación es de ofrecer su escurrimiento superficial con poca actividad erosiva.

2.- ¿Cuáles son las partes principales de un canal?. descríbelas y grafíquelas.

El diseño de un canal implica darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas:

Q = caudal en m.v = velocidad media del agua en m.S = pendiente en m.n = coeficiente de rugosidad.Z = talud en m.b = ancho de solera en m y= tirante en rnA = área hidráulica en mB.L. H-y bordo libre en mH = profundidad total desde la corona al fondo del canal en m C = ancho de corona en m

Caudal (Q)Para el diseño de un canal a nivel parcelario, el caudal tiene que ser un dato de partida, que se puede calcular con base en el módulo de riego (l/s/ha), la superficie que se va a regar (ha) y el caudal que resulte de las pérdidas por infiltración durante la conducción.

Velocidad media en los canales (v)La velocidad medía se puede determinar por medio de la fórmula deManning:

Las velocidades en los canales varían en cuyos límites Son: la Velocidad mínima, que no produzca depósitos de materiales sólidos en suspensión (sedimentación), y la máxima que no produzca erosión en las paredes y el fondo del canal. las velocidades superiores a los valores máximos permisibles, modifican las rasantes y crean dificultades en el funcionamiento de las es del canal. A la inversa, la sedimentación debida a velocidades muy bajas provoca problemas por embaucamiento y disminución de la capacidad de conducción, y origina mayores gastos de conservación.Se han encontrado muchos resultados experimentales sobre estos límites, para canales alojados en tierra, en general están comprendidos entre 0,30 y 0,90 mts.

Pendiente admisible en canales de tierra (S)La pendiente, en general, debe ser la máxima que permita dominar la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez, dé valores para la velocidad que no causen erosión del material en que está alojado el canal, ni favorezcan el depósito de azolve.La pendiente máxima admisible para canales de tierra varía según la textura.

Taludes (Z)Los taludes se definen como la relación de la proyección horizontal a la vertical de la inclinación de las paredes laterales.La inclinación de las paredes laterales depende en cada caso particular de varios factores, pero muy particularmente de la clase de terreno en don de están alojados.Mientras más inestable sea el material, menor será el ángulo de inclina ción de los taludes.

Coeficiente de rugosidad (u)En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canal alojados en tierra están comprendidos entre 0,025 y 0,030, y para canales revestidos de concreto se usan valores comprendidos entre 0,013 y 0,015.

Ancho de solera (b)Resulta muy útil para cálculos posteriores fijar de antemano un valor para el ancho de solera, plantilla o base, con lo cual se pueden manejar con facilidad las fórmulas para calcular el tirante.

Tirante (y)Una regla empírica generalmente usada en los Estados Unidos, estable ce el valor máximo de la profundidad de los canales de tierra según la siguiente relación:

Donde:y = Tirante hidráulico (m)A = Área de la sección transversal (m) Área hidráulica (A)Se obtiene usando la relación geométrica:

una vez calculado el ancho de solera, talud y el tirante. También se obtiene usando la ecuación de continuidad:

Bordo libre (B.L.)En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta siempre necesario dejar cierto desnivel entre la superficie libre del agua para el tirante normal y la corona de los bordos, como margen de seguridad, a fin de absorber los niveles extraordinarios que puedan presentarse por encima del caudal de diseño del canal:

La práctica corriente es dejar un bordo libre o resguardo igual a un tercio del tirante, es decir:

Profundidad total (H)La profundidad total del canal se encuentra una vez conocido el tirante de agua y el bordo libre, es decir:

En forma práctica, para su construcción esta profundidad total se suele redondear, asumiendo su variación el valor del bordo libre.

Ancho de corona (C)El ancho de corona de los bordos de los canales en su parte superior dependen esencialmente del servicio que estos habrán de prestar. En cana les grandes se hacen suficientemente anchos, 6,50 m como mínimo, para permitir el tránsito de vehículos y equipos de conservación a fm de facilitar los trabajos de inspección y distribución del agua.

3.- ¿Cuáles son las partes principales de un sistema de Irrigación? Descríbelas y Grafíquelas

DESCRIPCIÓN DEL UN SISTEMA DE IRRIGACIÓN

A) Obra de Captación.- Esta estructura es diseñada para captar un caudal máximo, y para soportar una avenida máxima.

Las partes básicas de esta estructura son las siguientes:Barraje Mixto

El barraje móvil que servirá para limpia es de tablones de madera.

Ventana de CaptaciónEs la entrada del Canal.

Canal Aductor

Diseñado con sección conocida hasta el aliviadero para una capacidad determinada, en época de avenidas.

A) AliviaderoDestinado a controlar los niveles de flujo en las avenidas.

B) Canal Principal.- Es la parte principal del Sistema, el cual abastece a toda la red de distribución con un perfil y secciones especificadas en los Planos del Proyecto (diseñado con pendientes adecuadas las cuales permiten que no se suceda erosión en las avenidas)

C) Sistema de Distribución Primario. El sistema de canales, en los cuales el Sistema abastece a los Usuarios de riego.

D) Obras de Arte.-

a) Alcantarillas Superiores o Canoas. — Las cuales salvan los obstáculos de Topografía y de lluvias en el Sistema.

b) Conductos Cubiertos. Los que estarán ubicados en las zonas de deslizamientos de los terrenos. Los diseños se detallan en los planos del Proyecto.

c) Puentes.- Para atravesar los acantilados y desniveles notables del terreno.

d) Tomas Laterales. -Para la distribución y control de las aguas. e) Acueductos.- Los conductos ubicados en el Subsuelo y tienen las generalidades de los túneles.

4.- ¿Cuáles son los criterios a tener en cuenta para diseñar un canal? Mencione además cual es su importancia

Hay varios factores que se deben tomar en consideración en el diseño de un canal.

1. Las necesidades agrícolas básicas establecen la descarga y el perfil de la superficie del agua.

2. Los taludes laterales están limitados por la resistencia de los materiales.

3. La carga de lodo y la estabilidad del lecho del canal imponen limitaciones a la velocidad del flujo y la sección del canal.

4. El diseño final toma en cuenta la economía y los medios de construcción.

A. Preguntas relacionadas con el sitio del sistema de irrigación

Cuáles son los usos, las actividades y las infraestructuras del sitio donde se planea el proyecto? Cuál es el plan de ordenación? Existe mucho tráfico? Han sido tomadas en cuenta las necesidades, las expectativas, los hábitos de consumo, y las actividades socioeconómicas de la población? Podría el proyecto causar:

Desplazamientos de población, cambios en las formas de vida, alojamiento, y otras características culturales (debibo a la falta de tomar en cuenta los elementos positivos existentes en manejo ambiental, como la valorización de residuos agrícolas para aumentar la retención del agua en tierras áridas, o por medio de la promoción del cultivo comercial sobre el cultivo alimenticio, etc.);

La acentuación de desigualdades sociales y/o la pérdida de territorio (por ejemplo, si no hay plan para compartir equitativamente los resultados positivos del proyecto entre todos los grupos específicos de la población, o si no han tomado en cuenta consideraciones tales como los cultivos de subsistencia, cultivos comerciales, tierras familiares, ancestrales y comunales, terratenientes y/o tenientes de tierra agrícola (hombres y mujeres), etc.);

Usos incompatibles y/o conflictos de valores y conflictos sociales entre los diferentes usuarios de las varias fuentes de agua ubicados río arriba o río abajo del proyecto (entre granjeros y ganaderos, si el uso con mayor prioridad no ha sido sujeto a un acuerdo a priori, etc.)

Cambios en la calidad visual del paisaje; problemas con la calidad del agua, abastecimiento de agua, de energía o

presiones adicionales en otros recursos y servicios; Una disminución o un mejoramiento en la calidad de vida de los presentes y

futuros residentes; El uso óptimo de las fuentes de agua por medio del sistema de irrigación de

usos múltiples (para agricultura, pesca, energía, etc.) de acuerdo a la disponibilidad de agua y principios de prevención;

Mayor acceso y distribución equitativa del agua, para promover las actividades socioeconómicas de los grupos específicos de la población tanto como para promover la seguridad alimenticia?

Cuáles son las características topográficas y características del suelo (textura, composición, drenaje, humedad, etc.)? Qué fuentes de agua se utilizarán: aguas superficiales o subterráneas? Cuáles son las características relacionadas con el caudal, el volumen y la calidad de las aguas superficiales? Cuál es la cantidad,

profundidad y calidad de la capa de agua subterránea? Cuál es su tasa de recargo? Podría el proyecto tener un efecto sobre:

Las características de las aguas superficiales y subterráneas; Hábitat acuáticos, hábitat ribereños, y la cadena alimenticia (pájaros

migratorios, peces, etc.)?

Qué tipos de medio ambiente, paisaje, flora y fauna se encuentran en esta área? Cuál es su importancia específica? Existen masas de agua cercanas, áreas arboladas, cuestas, humedales costaneros o ribereños, u otros sitios vulnerables? Es el área propensa a los deslizamientos, inundaciones, sequía, temblores u otros desastres? Cuál es el nivel de precipitaciones y cómo varía con el tiempo? Es alta la evaporación? Podría el proyecto tener un efecto sobre:

Los medio ambientes o sitios de importancia económica, ecológica, cultural, arqueológica o histórica y los recursos naturales (fauna, agua, etc.);

Especies raras, vulnerables y/o especies de importancia económica, ecológica o cultural?

B. Preguntas relacionadas con la construcción del sistema de irrigación

Cuáles son las diferentes actividades de preparación del sitio y las actividades de construcción del sistema de irrigación? Cuáles son los componentes de este sistema y cuál es el área de superficie que cubren? Cuál es el área que será irrigada? Habrá excavación, nivelación, tala, desbroce, terraplenado, diversión de corrientes de agua, inundación de tierras, o reclamación de humedales? Cuáles son los tipos, cantidades, y recursos (medio ambiente natural, mercado local, otros mercados, etc.) de los materiales que se utilizarán? Qué equipo se requiere? Cómo se llevarán al sitio? Podría el proyecto causar:

Cambios, invasión y/o destrucción del medio ambiente o de sitios de importancia económica, ecológica, cultural, arqueológica o histórica y de los recursos naturales;

Deslizamientos de tierra, por ejemplo, durante la construcción de los canales; Inundación, debido a la creación de embalses y problemas asociados tales

como la descomposición de materia orgánica; La erosión de los suelos frágiles, delgados, en pendientes o cerca de masas de

agua y áreas que carecen de cubierta vegetal (ya sea a un determinado tiempo o permanentemente);

Compactación del suelo, o cambios en la textura, drenaje, permeabilidad y la capacidad de retención de agua de los suelos;

Cambios en la calidad, cantidad y circulación de las aguas superficiales y subterráneas, por ejemplo: por medio de la creación de embalses y/o la diversión de las aguas superficiales, y problemas asociados tales como la creación de un desequilibrio en los hábitats acuáticos;

Disturbios (ruído, vibraciones, polvo, tráfico) y riesgos de accidentes para los trabajadores y la población local (por ejemplo: durante la construcción de las structuras y el llenado de los embalses);

Contaminación del suelo, del aire o de las aguas, malos olores y riesgos de salud, debido al mal manejo de los materiales y desechos de construcción;

Una mayor participación y responsabilidad de la población local y de la fuerza de trabajo;

Un efecto en las economías locales y regionales?

C. Preguntas relacionadas con la fase operativa del sistema de irrigación

Habrá un aumento en la población debido a la migración? Favorecerá el proyecto asentamientos humanos, agrícolas, o de ganaderos u otros usos espontáneos en la vecindad del sistema de irrigación? Habrá una intensificación o expansión de la agricultura? Habrán problemas ambientales por causa de (pérdida de medio ambientes naturales y los hábitats de la vida silvestre, pérdida de la biodiversidad por medio de la introducción de monocultivos a larga escala, deforestación, desertificación, erosión y compactación del suelo, pérdida de fertilidad y degradación de los suelos debido a la ausencia de rotación de la cosecha y de los cultivos mixtos, cambios en el ciclo del agua, contaminación, etc.)? Habrá un aumento en la producción agrícola, animal y piscícola (vea otros documentos pertinentes)? Habrá un aumento en la demanda de recursos naturales? Pueden las necesidades de agua de varios usuarios cumplirse por medio del abastecimiento de agua existente? Puede el proyecto causar:

Una disminución en la cantidad y calidad de las aguas río arriba y río abajo; Conflictos socioeconómicos, o sobre derechos de propiedad y del uso de la

tierra, sobre la explotación de los recursos, el sistema de irrigación entre granjeros y otros usuarios río arriba y río abajo;

La aparición de nuevos problemas sociales, por ejemplo, si los efectos indirectos de un aumento potencial del ingreso no han sido anticipados;

Presiones agregadas o reducidas sobre los recursos naturales (agua, suelos, tierras cultivables, barbechos, vida silvestre, etc.), infraestructura y servicios locales (alojamiento, escuelas, etc.);

Un mejoramiento o disminución en los precios del mercado local (productos agrícolas, productos de ganadería, etc.) y un efecto sobre la economía local y regional (sistema de manejo de recursos financieros, sistema de crédito, acceso a los mercados, el inicio de empresas, etc.);

Una participación de la población en los acuerdos de fijación de tarifas y de uso del agua, en la toma de decisiones económicas, y en el mantenimiento y el seguimiento del sistema de irrigación y del agua;

Una mayor participación y responsabilidad de la población local (particularmente de los recipientes directos previstos) en encargarse de su propio desarrollo;

Un mejoramiento en la calidad de vida como consecuencia de un medio ambiente saludable, mayor acceso al agua necesaria para el desarrollo de actividades socioeconómicas particulares a grupos específicos de la población, así como la seguridad alimenticia, por ejemplo: por medio de la irrigación de pequeñas parcelas de tierra agrícola para las mujeres, o por medio de un plan de reinversión para la comunidad, sus actividades socioeconómicas y sus necesidades en cuanto a servicios, etc.?

Qué sistema de captación y abastecimiento de agua se utilizará (gravedad, bombeo, canales, conductos, embalses, irrigación con regadores o por gotas)? Es simple, óptimo, y adaptado al medio ambiente y a los recursos disponibles? Habrán cambios en el caudal de las aguas superficiales y/o cambios en la capa de agua subterránea? Ha sido el sistema de irrigación elaborado tomando en cuenta las características particulares del agua, de los suelos, drenaje, topografía, cultivos, actividades socioeconómicas, necesidades del agua y del contexto legal? Podría el proyecto ocasionar:

Una pérdida importante del agua debido a la evaporación en la superficie de los embalses o canales, debido al diseño impropio de estas estructuras;

Cambios en los patrones de entarquinamiento y/o ciclos de inundación río abajo especialmente si estos patrones y ciclos son importantes para la fertilidad de los suelos ribereños;

Problemas de sedimentación en las corrientes de agua río abajo debido a la erosión río arriba;

Problemas de sedimentación en las aguas para la irrigación debido a la erosión del suelo, turbiedad, y riesgos de entarquinamiento de los canales y embalses;

Cambios en los hábitats acuáticos ribereños y su cadena alimenticia; Un bajo caudal de agua que puede causar problemas de falta de agua,

particularmente durante la época de sequía y río abajo, una reducción en la capacidad de dilución de contaminantes y cambios en los hábitats acuáticos y ribereños;

Un caudal de agua mayor lo cual puede causar una erosión acelerada de los cauces y una acumulación de sedimentos río arriba o en los embalses y canales;

Saturación hídrica en la zona de enraizamiento debido a un aumento del nivel de la capa de agua subterránea causado por irrigación abusiva que se excede la tasa de percolación de agua en el suelo sin medidas apropiadas de drenaje, o debido a la pérdida de agua de canales y embalses que no son herméticos, o si los suelos no están bien drenados (por ejemplo: arcilla o suelos lateríticos);

una salinización del agua y de los suelos, especialmente en áreas áridas y semiáridas considerando que la aportación de agua es baja y la evaporación es alta, cuando el nivel de la capa de agua subterránea aumenta, (especialmente si los suelos irrigados tienen un rápido drenaje, como en suelos arenosos, aluviales), o cuando el agua subterránea está en contacto con capas de suelo de alto contenido de sales, o cuando el agua para la irrigación es rica en sales;

Una salinización del agua, como consecuencia de la intrusión salina en la desembocadura de una corriente de agua o en áreas costaneras o insulares donde el agua subterránea está en contacto con el agua del mar y cuando su nivel es disminuído;

Cambios en los suelos debido a la oxidación de compuestos azufrados en zonas costaneras húmedas;

Cambios en la profundidad, tasa de recargo y la calidad de la capa de agua subterránea;

Desecación del agua subterránea, si la precipitación anual es baja, si la evaporación es muy alta, si retiramos más agua que la tasa de recargo permite; particularmente en zonas áridas y semiáridas;

Disturbios, riesgos de accidentes (por ejemplo: navegación sobre masas de agua modificadas, riesgos asociados a las crecidas intensas o el equipo) y/o riesgos de enfermedades, tales como malaria, sistosomiasis o oncocerciasis, asociadas con un aumento en las especies peligrosas y vectores de enfermedad si los conductos no son bien cubiertos, si los canales y zanjas no son suficientemente profundos o si la mala hierba y sedimentos se acumulan, si el drenaje es demasiado débil y/o si son creadas masas de agua estancadas;

Un mejor manejo de los recursos de agua de acuerdo al diseño del sistema de irrigación (medidas de conservación del agua asociados con la conservación de los suelos y medidas de antierosión, asociaciones de usuarios, etc.)?

Existe un riesgo de que los contaminantes (por ejemplo: pesticidas o fertilizantes) se infiltren o descarguen en el suelo, las aguas para la irrigación, las aguas superficiales o subterráneas? Están estos contaminantes asociados con disturbios (malos olores, polvo), riesgos de accidentes (derrames) y riesgos de salud (intoxicación) para la población? Se requiere un tratamiento del agua para irrigación? Existe:

Un riesgo de contaminación por parte de pesticidas y fertilizantes utilizados en tierras agrícolas circunvecinas;

Un riesgo de crecimiento de algas, si las aguas para la irrigación (canales y embalses) reciben nutrientes (suelo erosionado, fertilizantes), son estáticos, en un constante contacto con la luz y se vuelven más calientes;

Un riesgo de eutrofización de las masas de agua debido a la descarga de nutrientes (fosfatos y nitratos);

Un riesgo de la bioacumulación de pesticidas en la cadena alimenticia?

5.- ¿Que recomendaciones desde el punto de vista Geológico daría para el emplazamiento de un canal?

Investigaciones del Canal. Los exámenes técnicos para los canales son similares a los de las vías férreas o carreteras. Se preparan los perfiles longitudinales y transversales a lo largo del alineamiento elegido y se determinan las profundidades de las zanjas y alturas de los terraplenes. después de conseguidos estos datos pueden llevarse a cabo los estudios geotécnicos. En el proyecto de un canal tienen que satisfacerse las siguientes exigencias geotécnicas mínimas: 1) No habrá asentamiento perjudicial del canal dentro del material subyacente; 2) Las vertientes laterales serán estables, y 3) El fondo y las vertientes laterales deberán ser impermeables, previniendo las pérdidas de agua permisibles.

Deberá prepararse un mapa geológico de la superficie. Este mapa deberá rodear una faja de alrededor de 200 pies de ancho, más la anchura de la parte superior del canal elegido, deberá señalarse el emplazamiento de los crestones y contactos entre las formaciones rocosas, entre el suelo y la roca y entre los diferentes tipos de suelos. El informe que lo acompañe deberá describir las características de suelo y roca. De particular importancia es la descripción del suelo en las tierras agrícolas adyacentes al canal. Si es fácil que ocurra un escape, es necesario saber si estos suelos adyacentes se avenarán debidamente o si el terreno agrícola es apropiado para ser saturado. Las fotos aéreas son inestimables para clasificar los tipos de suelos y para levantar el mapa geológico.

Los estudios geológicos de superficie determinarán la necesidad de hacer la exploración subterránea por perforación o por métodos geofísicos y la intensidad en que se ha de realizar.

Para canales principales, las perforaciones se efectúan con una separación aproximada de 1000 pies a lo largo de la línea central del canal. Se colocan agujeros adicionales en aquellos lugares donde las condiciones geológicas o topográficas cambian mucho y en los emplazamientos de las mayores estructuras auxiliares de hormigón. En el último caso, pueden producir un asentamiento y destrucción de la estructura los cimientos críticos tales como lo Loes; por eso, las perforaciones respectivas deberán llevarse a cabo desde los materiales críticos hasta los materiales competentes adyacentes.

Todas las perforaciones deberán realizarse hasta una profundidad mínima de 10 pies por debajo del nivel del piso del canal. Si este es profundo y existe una certeza absoluta de que los materiales encontrados a profundidades someras sobresalen hasta dicho nivel, puede pararse la perforación a profundidades someras. Donde se conoce bien la geología, es innecesario hacer frecuentes perforaciones de ensayo. Los resultados de los estudios

subterráneos se marcan en perfiles interpretativos paralelos y a lo largo de la línea central carretera - canal para ayudar al constructor a calcular el tipo de excavación y la necesidad de revestir ciertas secciones o tramos y también para determinar los planes de cimentación apropiados para estructuras a lo largo del canal.

Deberá tenerse en cuenta la posibilidad de los deslizamientos de tierra. Tendrán que señalarse en el mapa los deslizamientos existentes, así como hacer un cálculo de su influencia en la construcción y mantenimiento de los futuros canales.

Haremos hincapié en que los deslizamientos de tierras suelen reconocerse más fácilmente por las fotos aéreas. Los estudios de deslizamiento dan una idea referente a la futura estabilidad de las vertientes laterales de canal excavadas en los materiales no alterados.

Junto con el estudio de acción del hielo, deberán obtenerse los siguientes datos:

1) La profundidad de la penetración del hielo.

2) El emplazamiento y las posibles fluctuaciones de agua. Y

3) Las propiedades de capilaridad de los suelos locales. Puede proporcionar algún dato el comportamiento de las estructuras locales con respecto a la elevación del hielo.

Antes de empezar las investigaciones sobre el terreno ha de hacerse un estudio completo mediante mapas topográficos, geológicos como inspección visual del lugar.

Los estudios geológicos de superficie determinarán la necesidad de hacer la exploración subterránea por perforación o por método geofísico o la intensidad que se ha de realizar.

Para los canales principales las perforaciones se efectúan con una separación aproximada de 304 m a lo largo de la línea central del canal. Se colocarán agujeros adicionales en aquellos lugares, donde las condiciones geológicas o topográficas cambien mucho y en los emplazamientos de los mayores estructuras auxiliares de hormigón.

6.- ¿Cuáles Son Los Parámetros Que Se Tienen En Cuenta Para Diseñar Un Canal? (Describirlos)

Entre las principales obras de arte que normalmente se hallan presentes en un sistema de conducción de agua (Canales de riego) se puede mencionar a los siguientes:

Desarenador: Es una estructura ubicada a la entrada de un canal y tiene por finalidad separar los sólidos que transporta el agua en suspensión por medio de una súbita disminución de la velocidad del agua. La construcción de estos dispositivos son de radical importancia, puesto que evitan que las partículas de materiales sólidos (arena, limo, etc.), ejerzan efectos erosivos en las estructuras de conducción, así como la intención a lo largo de ellos, los cual exige efectuar mantenimientos periódicos.

Acueductos: Llamados también puentes canal, son estructuras que sirven para cruzar una quebrada por el cual circula en agua en forma constante o periódica.

Sifones: Son estructuras hidráulicas que tienen por finalidad permitir el cruce de un canal con una carretera a sub nivel con una mínima perdida de carga.

Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada un río, un dren o un camino, etc. Se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular, cuadrada que trabajará a tubo lleno.

Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones, una de entrada otra de salida, siendo generalmente la sección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.En el cruce de un canal con una quebrada, el sifón se proyecta para conducir el menor gasto zy los suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando está cerca a centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas, pero con las desventaja de que puedan obturar las aberturas y causar remansos.

Criterios de diseños:

a. Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos doblados y sumergencia de la entrada y salida.

b. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes se requiere un mínimo de 0.90 m. de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 de cobertura.

c. La pendiente de los tubos doblados no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo.

Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con mayor o = a 36" y para velocidades en el tubo mayores a 1m/seg.

d. Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% ó 0.30 como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m. a partir de la estructura.

e. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1m3/seg. En sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se

puede usar 1.5m/seg. y entre 3m/seg. a 2.5.m/seg. en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.

f. Las pérdidas de carga por entrada o salida para las transiciones tipo "Cubierta Partida", se puede calcular rápidamente con los valores 0.4 hv y 0.65 hv. respectivamente.

g. A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%.

h. En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 veces de la carga de velocidad del sifón o 1.1. como mínimo o también 3".

i.En la salida de emergencia no debe de exceder el valor Hte/6.

j. En sifones relativamente largos se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.

k. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o flujo lleno con un coeficiente de fricción menor que el asumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar 0.008 cuando se calculan las perdidas de energía.

l. Con la finalidad de evitar la cavilación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.

m. Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m.

n. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente.

Compuertas: Son estructuras encargadas de regular el paso de agua al canal (desde la presa, bocatoma, etc.) en forma constante o variable, como son las compuertas de regulación; sirven también para evitar el paso de caudales excesivos al canal aductor llamados compuertas de seguridad.

Aliviaderos: Son estructuras adecuadamente espaciadas y destinadas al desfogue o eliminación de los excesos de agua impidiendo los desbordamientos laterales de agua por los canales.

Medidores.- La necesidad de contar con un dispositivo cuya precisión fuese la de un vertedero donde no se presentará el problema azolve o arenamiento, fue resuelto por el Ing. Ralph L. Parsahall de la Estación Agrícola Experimental de Colorado U.S.A. en 1922 y lo llamó inicialmente "Medidor de Venturi Mejorado", nombre que fue cambiado posteriormente por el de "Conducto Medidor Parshall", según Trueba Coronel (21) págs. 295 a 348 haremos referencia en forma más o menos detallada.

Como su nombre lo indica son estructuras fijas o móviles que ubicadas dentro de l canal miden el caudal de agua transportado por éste en un momento dado; estas medidas pueden ser vertederos o conductos aforadores.

Ventajas:Entre las principales ventajas como estructura de aforo podemos enumerar:

1. El diseño es simple y su construcción suele resultar barata si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina con caídas, sifones, etc.

2. La estructura trabaja aún teniendo gran variación en el gasto y éste se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja ahogado el error no pasa del 5%.

3. No se produce el problema de arenamiento en la estructura no aguas arriba de ella conservando siempre su misma precisión.

4. Su conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel de usuarios y sectoristas de riego, sin mayor experiencia.

5. Hidráulicamente funciona bien por baja pérdida de carga con relación a otros tipos de medidores.

Descripción de la Estructura:El medidor Parshall consta básicamente de tres fundamentales: La entrada, la

garganta y la salida.

1. La entrada consta de dos paredes verticales simétricas y convergentes de inclinación 5:1 con fondo o planilla horizontal.

2. La Garganta consta de 2 paredes verticales y paralelas, el fondo inclinado hacia abajo con pendiente 2.67:1

3. La salida son 2 paredes verticales divergentes con el fondo ligeramente inclinado hacia arriba.

Cabe señalar que la arista que se forma por la unión del fondo de la Entrada y el de la Garganta se le llama Cresta del Medidor cuyo ancho se le designa con la letra W y se le llama Tamaño del Medidor.

Se presenta el Medidor Parshall y sus principales dimensiones; cabe señalar que el cero de las escalas para medir las cargas Ha y Hb coincide con la cota de la cresta. Se da una recopilación de las dimensiones de las estructuras usadas en los experimentos de Parshall.

Funcionamiento:El Medidor Parshall funciona en dos casos bien diferenciados:

a. Con descarga libre.

b. Con descarga sumergida o ahogada.

Cuando el agua llega a la cresta del Medidor se precipita siguiendo el piso descendente de a garganta, hasta que al salir de ella, empieza a perder velocidad y como está es menor en el canal de aguas abajo, se produce un salto hidráulico cerca del extremo inferior de la garganta, el salto se localizará más lejos para caudales grandes y más cerca para caudales pequeños, lo que significa que la carga Hb variará haciéndose más pequeña o aumentando hasta ser igual a Ha.

La localización del salto es afectada igualmente por la elevación de la cresta sobre la plantilla del canal así como también por la diferencia de elevación de la plantilla en los canales aguas arriba y aguas abajo de la estructura.

a. Descarga Libre: Cuando el escurrimiento es libre, el caudal abajo de la estructura no obstaculiza a la descarga por la garganta y en este caso la carga Hb es considerablemente menor que la carga Ha, la descarga libre puede acontecer de 2 maneras:

Sin Salto Hidráulico: Este caso se presenta cuando el tirante aguas abajo del medidor es muy pequeño en relación al nivel de la cresta abajo del medidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua en el medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del tirante de agua.

Con Salto Hidráulico: Este caso se presenta, cuando el tirante aguas abajo del medidor es los suficientemente grande con respecto al nivel de la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de agua abajo, lo cual se hace bruscamente, produciendo el salto hidráulico, siempre y cuando el salto hidráulico se produzca fuera del la garganta el escurrimiento será libre.

b. Descarga Sumergida: Cuando el caudal aguas abajo de la estructura obstaculiza la descarga por la garganta, se tienen escurrimiento sumergido, y en este caso la carga Hb difiere poco de la carga Ha siendo el caudal función de 2 cargas: Ha y Hb, es decir, cuando la mira en "b" marca una altura de agua (Hb) se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.

-Rápidas: Son estructuras que tratan de adaptar los canales a la topografía del terreno generalmente por caída a velocidades mayores a la crítica con la intención de perder grandes desniveles topográficos.

Las rápidas son estructuras que sirven para conectar dos tramos de un vcanal, cuyo desnivel es bastante grande en una longitud relativamente corta.

Sólo un estudio económico comparativo ayudará a decidir en la utilización de una rápida o una serie de caídas escalonadas, conocidas también como gradas.

Para el diseño es necesario conocer las propiedades hidráulicas, las elevaciones de la rasante y de las secciones del canal aguas arriba y aguas abajo de la rápida, así mismo un perfil longitudinal del tramo donde se ubica la estructura.

Una rápida consta de las siguientes partes:

-Transición de Entrada:

a.-Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida.

b.- Canal: de la rápida, es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria, puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes, pudiendo ser de sección trapezoidal o rectangular, es necesario poner atención en el momento del volumen de la corriente por acción del aire incorporado cuando las velocidades halladas exceden 10 m/seg.

c.-Trayectoria: es un curva parabólica vertical, que une la pendiente última de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador, de tal manera que debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos.Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión de agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará, limitándose así la capacidad del canal.

Por tal razón es conveniente usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal.

-Tanque o colchón amortiguador:

a) Transición de salida:

Caídas o saltos: Obras de arte similares a las anteriores en las cuales el agua pierde desniveles por caída libre del agua; de adaptan a desniveles menores.

Saltos de Agua: Son obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Gómez Navarro hace una diferencia de estas obras y conviene en llamarlas caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., ésta a su vez puede ser verticales a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rápida y en estos casos es conveniente un estudio económico entre la rápida o una serie de caídas que Dominguez denomina gradas.

En el presente Ítems, se estudia el diseño hidráulico de caídas verticales, rápidas y gradas, no se trata el caso de caída entubadas puesto que su diseño se basa en los mismos principios que los sifones.

Partidores: Gomez Navarro (4) págs. 547 maniefiesta que al bifurcarse los canales de riego en 2 ó más ramales principales, es necesario que el caudal se reparta

proporcionalmente, pero independientemente del caudal que circula en el canal, lo que se efectúa mediante las obras denominadas partidores. El sistema más sencillo de partidor, es un tramo recto del canal, revestido, que se divide por medio de un tajamar, repartiéndose el caudal en proporción de los anchos, cosa que no es exacta, puesto que al realizarse la división régimen lento o sub-crítico, influyen en los caudales las condiciones aguas abajo del partidor como son: radios hidráulicos, curvas y en fin, cualquier motivo que puede dar lugar a remanso.

Kraatz dice: no todas las obras de división del canal se construyen para realizar una división exactamente proporcional y para distinguirlas de las obrase de toma considera que cuando se desvía del 25% del canal principal de la obra es un partidor. A su vez Dominguez describe a los partidores como aparatos que extraen de un canal del gasto variable, en una proporción fija, otro gasto también variable, pero que es un procedimiento invariable del total del gasto del canal; y que la punta partidora en un principio consistía en un macizo triángulo habiendo sido reemplazado hoy en día por una plancha de acero de poco aspersor paralela a la dirección de la corriente, modificación que considera poco efectiva.

- Tipos de partidores:

a) Partidores de escurrimiento crítico: los cuales pueden ser por barrera y por estrechamiento.

b) Partidores de resalto o de barrera de sección triangular: Ambos tipos tienen dos características comunes:

1. Rápida aceleración que en lo posible iguale las velocidades.

2. Aislamiento de la sección de partición de variaciones del escurrimiento aguas abajo.

En los partidores de resalto, la partición se hace en una sección idéntica para ambos ramales, y en la misma punta partidora, por lo tanto, la perturbación por creación de una capa de límite se reduce al mínimo. En los partidores de de escurrimiento crítico es imposible igualar las condiciones de escurrimiento en el arranque de los ramales. El principio general es un partidor de escurrimiento crítico está dado por la ecuación:

B1 = 3 Yc + a 2

Donde:B1 = Y1 + V²1(Se toma el correspondiente al Y1 más alto que ocurre aguas abajo del partidor, y puede ser de cualquier canal).Pérdida de carga entre la sección de partición y de la del ramal.

Yc =Altura crítica.a =Diferencia de cotas, entre la sección de partición y el ramal, cuando a es un valor positivo, tendremos un partidor de barrera y cuando es cero, tendremos un partidor por estrechamiento.

Generalidades:

Cuando se calcula tomas de canales o mas en parcelas, se fijan de tirantes que deben mantenerse para que dichas estructuras funcionen correctamente, cuando el canal conduce el gasto de diseño se mantiene el tirante, pero una vez baja el gasto, es necesario mantener ese tirante mediante el uso de retenciones.

Una retención consta de las siguientes partes:

1. Transición de entrada.

2. Cuerpo de la retención que se compone de una parte central móvil constituida por compuertas o por tablones y una parte fija, o vertederos a los cuales también se les puede adicionar tablones. La parte móvil puede estar formada de tablones cuando se trata de caudales menores a 2 m3/seg, y compuertas cuerpo el caudal es mayor a 2 m3/seg.3. La velocidad en la cresta vertedora no debe ser mayor de 1.10 m/seg. Por que de lo contrario se dificulta la operación de los tablones.

4. Las transiciones deben diseñarse para evitar pérdidas de altura excesiva de manera de mantener el nivel de agua lo más horizontal posible, el ángulo máximo será 12o 30'.

5. El ancho de la parte central de la retenciones será de tal manera que su área sea igual o mayor que el área de la sección del canal.

6. El gasto máximo por encima de la cresta vertedora se calcula mediante la fórmula:

Q = CLH3/2

Donde:

L = Anchura media de la cresta vertedera

L = L1 + L2 2H = 80% del borde libre.C = Coeficiente de gasto.Se debe cumplir que el canal de vertimiento sea mayor o igual al 40% del canal del diseño, en caso contrario se aumenta el ancho hasta cumplir con esta norma.

CONSTRUCCIÓN DE CANALES:

De acuerdo con el tamaño de la sección transversal de los canales y su colocación, se distinguen líneas principales, líneas laterales o secundarias y líneas sub-laterales o terciarias.

El alineamiento de los canales debe ser tal, que presente el menor número posible de curvas estrechas, y una pendiente uniforme, cuando el terreno es irregular, los canales deben seguir los contornos, para obtener una pendiente uniforme sin la necesidad de construcciones costosas.

La construcción, las medidas y los diferentes sistemas de revestimiento de los canales son como sigue:

1) Diferentes secciones transversales de canales con las medidas estandarizadas mas usadas. Los canales de sección pequeña tienen, en general, taludes con inclinación de 1:1. Los canales mas grandes e construyen normalmente con taludes mas inclinados, por ejemplo de 1.1.5 ó de 1:2. En suelos más susceptibles a la erosión, se construyen taludes con mayor inclinación.

Se recomienda diseñar el canal para condiciones de máxima eficiencia hidráulica. En este caso, el radio hidráulico es igual a la mitad del tirante.

La velocidad del agua será tal que no ocasione erosión del revestimiento de partículas sólidas.

No se permite que un canal funcione con régimen crítico (el número de Froude es igual a uno).

2) Sección típica de un canal con revestimiento de concreto y hormigón. El espesor del hormigón es de aproximadamente 2.5 plg.

3) La excavación del canal se empieza clavando una estaca que marque el eje central. A ambos lados del eje central, se marca el ancho del fondo del canal. Finalmente, se inclina el ancho superior de la sección del canal.

4) En primer lugar, se excava la parte central hasta el fondo del canal, depositando el material excavado a ambos lados.

5) Después se excava la tierra según los taludes, tomando como base la recta del fondo.

6) Para verificar las medidas de la sección, se usa un bastidor de caballete, que se coloca en diferentes puntos del canal.

7.- ¿CÓMO SE REALIZA EL DISEÑO DE UN CANAL DE IRRIGACIÓN?

TRAZO DE CANALES:

Cuando queda definido el área que se desea regar y por otra parte se cuenta con disponibilidad suficiente de agua en condiciones adecuadas de calidad, de buenas condiciones geológicas y especialmente cuando las obras de captación no revisten demasiado desembolso económico, surge la necesidad de construir la infraestructura básica de riego consitente en canales de conducción y algunas obras de arte si es que las condiciones naturales del medio así lo exigen.

En la actualidad se cuenta con una gran diversidad de formas o métodos para realizar el trazo de los canales, como actividad fundamental previa a la construcción del mismo; por ejemplo, desde los mas clásicos, que particularmente no son utilizables en proyectos pequeños, por su demasiada laboriosidad como también porque requieren de mucho tiempo para su ejecución ( necesitan levantamientos topográficos muy costosos ) y son además métodos que como el clásico por etapas sucesivas, alternan trabajos de campo y gabinete y tienden más bien a ser adecuados para obras de gran envergadura.

La sierra peruana, caracterizada por su topografía accidentada y donde las áreas regables están restringidas a pequeñas superficies onduladas de posición fisiográfica media y alta, exige un trato especial en materia de trazos; por esta razón se ha tratado de simplificar al máximo las operaciones de este tipo de actividades por aquellas en las que paralelamente sean realizados tanto los trazos como la construcción misma de los terraplenes (rasantes) de los canales.

En este sentido, el método de trazo directo que se explica seguidamente viene a construir una forma de ejecutar este tipo de trabajos en materia de riegos.

Procedimientos para Desarrollar el Método:

Este método directo es adecuado a las condiciones del trazo, donde la urgencia de la ejecución de las obras de construcción así lo impone. La realización del trazo está seguido o marcha paralelamente al movimiento de tierras, tendientes a la ejecución de la plataforma o eje de rasante, prescindiéndose momentáneamente de todo estudio planimétrico y/o altimétrico que en otros métodos juega un papel previo a la construcción de los canales.

Las fases son las siguientes:

a) Delimitación geográfica de la zona regable.

b) Ubicación de las rutas probables del canal.

c) Reconocimiento de las rutas probables del canal.

d) Trazo de rasante. .

e) Movimiento de tierras.

f) Construcción de la subrasante.

g) Método constructivo.

8.- ¿CUÁL ES LA IMPORTANCIA DE ESTUDIAR EL NÚMERO DE FROUDE Y EL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD EN EL DISEÑO DE CANALES?

La cantidad: ……… (Fuerza de inercia sobre fuerza gravitacional), se

llama el número de Froude, en honor de William Froude, un inglés que en la última mitad del siglo XIX, fue pionero de la investigación sobre resistencia de las embarcaciones mediante el uso de modelos. El número de Froude se designará por F.

El número de Froude tiene importancia en flujos con velocidades grandes que ocurren por la acción exclusiva de la gravedad; tal es el caso del flujo turbulento a superficie libre, donde los efectos viscosos son despreciables. A medida que aumenta el número de Froude, mayor es la reacción inercial de cualquier fuerza; en tanto disminuye, mayor es el efecto de la fuerza gravitacional. Cuando el flujo es horizontal, la acción del peso desaparece y con ella la influencia del número de Froude.

Coeficiente de Rugosidad:Cuando la superficie de la pared de un conducto se amplifica, observamos que

está formada por irregularidades o asperezas de diferentes alturas y con distribución irregular o aleatoria. Dicha característica es difícil de definir científicamente pues depende de factores como la altura media de las irregularidades de la superficie, la variación de la altura efectiva respecto de la altura media, la forma y distribución geométrica, la distancia entre dos irregularidades vecinas, etcétera.

Puesto que prácticamente es imposible tomar en consideración todos esos factores, se admite que la rugosidad puede expresarse por la altura media ε de las asperezas (rugosidad absoluta), como un promedio obtenido del resultado de un cálculo con las características del flujo, más no propiamente por el obtenido como la media de las alturas determinadas físicamente de la pared, en cada conducción. Es más importante la relación que la rugosidad absoluta guarda con el diámetro del tubo, esto es la relación ε/D, que se conoce como rugosidad relativa. Existen tubos como los de asbesto- cemento cuya rugosidad es de forma ondulada y que se comportan hidráulicamente como si fueran tubos lisos (vidrio o plástico).

Es la resistencia al flujo de agua que presenta los revestimientos de los canales artificiales y la naturaleza del lecho en los cauces naturales. Y depende del cauce y talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad en el trazado del canal, radio hidráulico, etc.

En el Handbook of Hydraulics de King Horton, se puede encontrar los coeficientes de rugosidad para diferentes tipos de revestimientos y estados de conservación del mismo.

Algunos Valores son: - Ladrillo vitrificado ………………………0.011- Madera cepillada……………………….0.010- Concreto…………………………………0.015- Piedras Grandes……………………….0.030- Canales de tierra ………………………0.025- Cauces naturales limpios……...………0.025- Cauces con vegetación………………..0.030

9.- ¿CÓMO SE REALIZA UN AFORO? DESCRIBA CADA UNO DE LOS MÉTODOS EMPLEADOS.

1. TÉCNICAS DE AFORO EN CANALES NATURALES:

Dentro de las técnicas más comunes de aforo en una corriente se tiene: utilización de vertederos, aforo con correntómetro o molinete, método de la velocidad superficial y la utilización de trazadores. También dentro de los estudios de hidráulica fluvial recientes realizados en la Universidad Nacional se plantea una nueva metodología que permite estimar el caudal a banca llena de la sección de estudio con base en las características morfométricas de la sección con la ecuación de Manning dimensionalmente homogénea. A continuación se presenta una recopilación bibliográfica de cada uno de los métodos.

1.1 Aforo con vertederosLos vertederos son diques o paredes que se oponen al flujo y que poseen una escotadura con una forma geométrica regular por la cual pasa el flujo. En general hay dos tipos de vertederos, los de pared delgada y gruesa. Los vertederos de pared delgada se usan básicamente para determinar el caudal en cualquier momento en una corriente pequeña. Los vertederos de pared gruesa se usan principalmente para control de excendencias, y su evacuación puede ser libre o controloda. Los vertederos que nos interesan son los de pared delgada y dentro de estos los más utilizados son: rectangular, triangular y trapezoidal.

Para el modelamiento de los vertederos se tienen en consideración los siguientes aspectos (ver Figura 1):

Flujo uniforme antes del vertedero, esto supone la superficie del fluido paralela al fondo del canal.

Se cumple la ley de presiones hidrostática. Los efectos de la viscosidad y la tensión superficial se consideran

despreciables. El correcto funcionamiento de un vertedero de pared delgada debe garantizar

que la lámina de agua vertida esté siempre a presión atmosférica.

Figura 1. Flujo en un vertedero

a) Vertedero rectangular

En este tipo de vertederos se trabaja el vertedero con y sin contracciones laterales. El vertedero sin contracciones laterales o Bazin, simplemente es un dique cuya cresta está definida por el ancho del canal, en este caso la presión atmosférica se debe garantizar con conductos de ventilación laterales. En el caso de vertederos rectangulares con contracción, las contracciones garantizan la presión atmosférica alrededor de la lámina de agua.Los desarrollos matemáticos para el cálculo del caudal en un vertedero rectangular conducen a la siguiente expresión:

Donde:Q: caudal Cd: coeficiente de descargab: ancho de la crestag: aceleración de la gravedadh: altura o carga de fluido sobre la cresta del vertedero

La ecuación es dimensionalmente homogénea.El Cd para vertederos rectangulares con contracciones es aproximadamente, 0.63 (ver Marbello, 1997 y King, 1962 para más información). Ver Figura 2.

b) Vertedero triangular

El vertedero triangular se usa para medir caudales pequeños, menos de 30 l/s, esto debido al efecto de la escotadura en V, la cual permite tener alturas mayores que los vertederos rectangulares para un mismo caudal. La expresión matemática para el vertedero triangular es (ver figura):

Donde:θ : es el ángulo en grados de la abertura de la escotadura.

Según Thomson un valor de Cd es 0.593 para 0.05 m < h < 0,25 m. (Ver Figura 2). 

c) Vertedero trapezoidal:

Este tipo de vertedero se considera que trabaja como la suma de un vertedero rectangular con contracciones más la suma de un vertedero triangular. Esta suposición no es del todo verdadera ya que no corrige el caudal por efecto de las contracciones laterales del vertedero rectangular. Para considerar tal efecto el ingeniero italiano Cipolletti trabajó un vertedero trapezoidal que considera la compensación de las contracciones del caudal debido a las contracciones del vertedero rectangular con un vertedero triangular. De esta forma el análisis arroja una pendiente para los lados laterales de 1:4. En posteriores estudios se encontró que esta relación no era exacta por lo que Cipolletti presentó la siguiente ecuación para un canal trapezoidal: Está ecuación tiene como Cd el valor de 0.63, tang(θ /2)=1/4, h < b/3, unidades en el sistema internacional.

Donde:Q : caudal (m3/s)b : longitud de la cresta (m)h : altura de la lámina de agua sobre la cresta del vertedero (m)

El vertedero trapezoidal por su falta de precisión y estudio se ha usado comúnmente para aforar aguas destinadas al riego.El coeficiente de descarga Cd, permite ajustar la ecuación por efecto del diseño de la cresta, la viscosidad, tensión superficial y contracción lateral del flujo.

Este coeficiente depende del tipo de vertedero y existen muchas fórmulas que permiten su cálculo.

Figura 2. Tipos comunes de vertederos

d) Consideraciones acerca de la instalación y calibración de un vertedero:

Un vertedero para su correcto funcionamiento debe en lo posible tener la cresta en forma de arista, buscando que el contacto del fluido con el vertedero sea en arista, esto reduce el efecto de la viscosidad y la tensión superficial. Además permite que para cargas de fluido bajas sobre la cresta la lámina de agua no se adhiera tan fácilmente. Dentro de los valores de trabajo normales h debe estar entre 0.06 y 0.6 m. También la medición de h debe hacerse a una distancia adecuada del vertedero para que la lectura no este afectada por la depresión de la lámina de agua, L 5h, donde L es la posición del limnímetro aguas arriba del vertedero. Los vertederos de pared delgada en general son usados para medir caudales menores de 300 l/s.Dentro del desarrollo teórico de las ecuaciones se observa que estas tienen una forma potencial:

Donde:Q: caudalh: lámina o carga de fluido sobre el vertederoa y b: constantes

Las unidades depende de las unidades de trabajo (mm, cm, l/s).La anterior expresión se puede linealizar mediante una transformación logarítmica y ajustar una línea recta lo que permite encontrar los valores de las constantes a y b. La constante b toma un valor cercano al teórico para cada tipo de vertedero y la constante a explica los coeficientes de las expresiones de

las expresiones teóricas. Para encontrar el valor de un caudal dada una altura de lámina de agua se puede trabajar en tres formas:

Utilizar la ecuación Utilizar una tabla que proviene de la ecuación en la cual la altura de la lámina

de fluido está discretizada y al frente tiene el correspondiente valor de caudal. Utilizar una gráfica de Q vs h.

 

1.2 Aforo con molinete o correntómetro:

Dentro de un aforo con molinete es fundamental la sección donde se va a realizar el aforo. Por lo tanto esta debe cumplir con algunas condiciones para garantizar una buena toma de datos:

Escoger una sección de fácil acceso. Seleccionar el tramo de la corriente de una longitud apreciable y de sección lo

más constante, que permita considerar condiciones cercanas a flujo uniforme tanto longitudinal como transversalmente.

Evitar secciones cercanas a estructuras que interfieran con el flujo.

De los métodos más sencillos para aforar una corriente está el método volumétrico, en el cual se determina en cuanto tiempo se llena un volumen conocido, este se usa para corrientes de caudal pequeño. También se usa las miras, las cuales con reglas graduadas, empotradas en bases de concreto o adosadas a perfiles de acero y con la sección previamente calibrada se puede conocer el caudal en un instante de tiempo:

La velocidad se estima mediante un correntómetro o molinete, el cual tiene una hélice que gira de acuerdo a la velocidad de la corriente. La ecuación general de un molinete es:

Donde:

V: velocidad de la corriente (m/s)n: número de revoluciones de la hélice en la unidad de tiempo (rad/s)a: constante de paso hidráulico, obtenida experimentalmente en ensayos de arrastre (m).b: constante que considera la inercia y la mínima velocidad para que la hélice se mueva (m/s).

El aforo de una corriente se puede hacer por vadeo cuando la corriente es poco profunda, menos de 1 m y velocidades no mayores de 1 m/s. En este tipo de aforo el operador se debe parar de tal forma que no obstruya el flujo con su cuerpo. Cuando la profundidad es grande el aforo se puede hacer desde un

bote, puente hidrométrico o tarabita y si se está trabajando desde una altura mayor de 3m con relación al punto más profundo de la sección se usa un lastre o escandallo al final del cable del molinete para mantenerlo en posición vertical. Para determinar el caudal en una corriente se usa el concepto:

Donde:Q: caudalVm :velocidad media de la secciónA: área de la sección

Para determinar el área de la sección transversal se mide el ancho de la sección del río con cintas métricas o equipos de topografía y las profundidades cada metro a lo largo de la sección, o por lo menos que por cada subdivisión pase el 10 % de caudal total. Las profundidades se miden con ayuda de varillas, ecosondas u otros elementos esbeltos. El caudal total que pasa por la sección se obtiene como la suma de los caudales parciales, ver Figura 3.

Figura 3. Sección transversal de una corriente

En la técnica de aforo con molinete la medición de la velocidad media se hace en puntos representativos de la sección. La velocidad media se mide en la vertical de aforo y se hace un promedio de la velocidad en dos verticales consecutivas para obtener la velocidad media de una subárea y en las secciones extremas se toma la velocidad igual a 2/3 de la velocidad de la vertical de aforo correspondiente. La medición de la velocidad media en cada vertical se puede hacer de varias formas, ver Figura 4 para el perfil de velocidad en una sección del área transversal:

Figura 4. Perfil de velocidad en la vertical de una sección transversal

Medición completa: consiste en medir en 10 puntos igualmente espaciados a lo largo de la vertical en cada subdivisión. Luego dibujando la sección transversal y con las velocidades que se obtienen se pueden trazar las isótacas o líneas de igual velocidad.

Medición en cinco puntos: este método implica mediciones en la superficie, 0.2, 0.6, 0.8 y cerca de la superficie del fondo. La velocidad media se obtiene:

Donde: Vs: velocidad superficialVf : velocidad de fondo

Método 0.2 - 0.8, consiste en medir la velocidad a 0.2 y 0.8 de profundidad a partir de la superficie, siendo Vm el promedio de ambas velocidades. Este método es el más usado en la práctica.

Método 0.6, este método tiene resultados aceptables. Se usa para profundidades menores de 0.6 m, cuando el agua arrastra mucho sedimento grueso o cuando se de dispone de pocos tiempo.

Método 0.2 - 0.6 – 0.8, se utiliza en corrientes turbulentas por irregularidad del lecho.

Medición superficial, se utilizan flotadores sencillos o lastrados para tomar la velocidad superficial tomando el tiempo que gasta el flotador en recorrer una distancia determinada. Este método es útil en crecientes. El estudio experimental de los perfiles en canales con flujo uniforme asume que la velocidad media de la sección es el 85% de la velocidad superficial.

La integración en profundidad, es la medición continua de la velocidad en la profundidad de flujo. La Vm se obtiene dividiendo la lectura del molinete por el tiempo empleado.

Cuando se han hecho una serie de aforos en la misma sección se puede determinar la curva de calibración de la sección. Esta es una relación del caudal en función de la altura, Q = f(h) y que puede ser dada en forma de tabla, ecuación o gráfico. Si los aforos realizados cubren un rango amplio de los caudales que se presentan en la sección se tiene una buena calibración de lo contrario hay que hacer una extrapolación de la curva. Como método de extrapolación se presenta el método de Manning. El procedimiento es el siguiente:

Ecuación de Manning:

Donde:V: velocidad media del flujoR: radio hidráulico de la secciónS: pendiente de la línea de energían: coeficiente de rugosidad de Manning.

Se trazan las curvas h vs área y h vs R2/3, con los datos de los aforos. Se determina la velocidad media de cada aforo, Vm = Q/A. Se gráfica la relación h vs Vm obtenida del paso anterior. En este método de considera que la relación S1/2/n es constante para niveles

altos del río. Se calculan los valores K = Vm /R 2/3 y se grafican contra los respectivos niveles. Esta relación debe tener un comportamiento asimptótico para garantizar que los valores de K son constantes para niveles altos.

Estimar los valores de Q para niveles altos a partir de la ecuación:

Donde:Q: caudal de la secciónA: área para un nivel h determinadoK: constanteR: radio hidráulico para un h determinado