HIDROLOGÍA

I. INTRODUCCION

El agua no se distribuye uniformemente en el tiempo y el espacio. A veces se encuentran grandes volúmenes lejos de los centros de población o cuando están próximas, pueden resultar impropias para el consumo. A veces pequeños ríos tienen agua en condiciones satisfactorias, pero no son aprovechables porque en ciertas épocas del año, su flujo es nulo. La responsabilidad del control y distribución de las aguas normalmente compete a los gobiernos y las comunidades, pero los aspectos técnicos de estas actividades encajan dentro de las responsabilidades del ingeniero civil. Le corresponde entre otras cosas, proyectar, diseñar, construir y administrar las obras relacionadas con ríos, canales, presas, sistemas de irrigación y drenaje, redes de abastecimiento de agua, alcantarillado pluvial y sanitario; en realidad, él es el ingeniero por excelencia del ambiente.

La responsabilidad del ingeniero civil es inmensa porque los conocimientos de la Hidráulica se basan en cientos de años de empirismo, muchos años de estudios teóricos y de análisis científicos, y pocos años de experiencia con las técnicas modernas de instrumentación y computación aplicada a los problemas relacionados con los recursos hidráulicos.

II. IMPORTANCIA

La planificación, explotación, administración y control racional

de los recursos hídricos de una cuenca es un tópico de gran

trascendencia. En particular, los temas relativos a la

conducción eficiente del agua a través de canales merecen

especial consideración en tierras bajo riego. Este problema

adquiere un nivel importante de complejidad cuando se trata

el diseño de canales sin revestir excavados en ciertos tipos de

suelos. Ello se debe a la gran cantidad de variables a tener en

cuenta y a la falta de un conocimiento adecuado en lo que

respecta a ciertos fenómenos físicos vinculados con la

formación y conservación de los canales a diseñar. Las

metodologías originales desarrolladas, y los promisorios

resultados alcanzados a la fecha, marcan una perspectiva

futura muy alentadora en lo que respecta al mejoramiento de

las prácticas actuales de diseño hidráulico de canales de tierra,

y sus múltiples aplicaciones a la ingeniería de recursos hídricos:

conducciones para riego y drenaje, estabilización de cauces

fluviales, canalizaciones de ríos, etc. En este trabajo se

presenta un conjunto de fórmulas prácticas de diseño, basadas

en el análisis de los aspectos esenciales como pendiente

longitudinal, caudal, perdidas por infiltración, etc.

III. DESCRIPCION GENERAL DE CANALES

1. DEFINICIÓN DE CANAL

En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación.

2. CLASIFICACIÓN DE CANALES

Se pueden clasificar a los canales como:

Los Canales naturales, son las depresiones naturales que

hay en la corteza terrestre, algunos de ellos suelen ser de

poca profundidad, mientras que los otros, tienen una

profundidad mayor, dependiendo del lugar en que se

encuentre, es decir si está en la montaña o en la planicie.

Los canales artificiales se pueden clasificar en No

Erosionables (canales revestidos) y Erosionables (canales

de tierra o no revestidos) VER IMAGEN. Son hechos por el

hombre para favorecer la agricultura (canales de riego),

la comunicación (canales de navegación)

IV. DISEÑO DE CANALES NO REVESTIDOS

TENIENDO EN CUENTA LA EROSIÓN DEL

FONDO

1. GENERALIDADES

Durante el recorrido que hace el agua en los canales se producen pérdidas que hacen que la cantidad de agua que realmente llega hasta el predio sea muy inferior a la disponible en la iniciación. La conducción de agua por canales de tierra produce significativas pérdidas por infiltración, las que pueden llegar en casos extremos hasta el 50 % del total del agua conducida en los canales, dependiendo de los factores que intervienen para que esas infiltraciones tengan mayor o menor importancia, como por ejemplo:

• Las características de los suelos y su permeabilidad.

• La edad del canal y la cantidad de limo que conduce el agua.

• La altura del agua o tirante.

• El área mojada.

• La temperatura del agua.

• La velocidad del agua

HIDROLOGÍA

• La altura de la napa freática con relación al fondo del canal.

Además de estos factores existen otros cuya influencia resulta muy

difícil de apreciar, tales como la presencia de malezas que obstruyen

el canal disminuyendo su sección transversal y reduciendo el caudal.

La vegetación consume y transpira apreciables cantidades de agua.

Por otra parte las plantas con raíces profundas aflojan el suelo de las

bermas, mientras que los árboles adyacentes absorben agua por sus

raíces provocando también importantes pérdidas. A continuación se

presenta algunos factores presentes en los canales sin revestimiento:

La erosión

La variación de las velocidades en

canales sin revestimiento produce

sedimentación de materiales extraños

y desprendimientos en los taludes.

Estos fenómenos son más notables en

zonas de suelos granulares que, por su

menor cohesión, son fácilmente

disgregables, lo que provocan

modificaciones de la sección

transversal, e incluso cambios en los

perfiles longitudinales del canal.

Posibilidad de roturas

Como consecuencia de socavaciones provocadas por erosión,

embancamientos por perturbaciones debidas a vegetación o

sedimentación de materiales de arrastre, acción de animales

cavadores u otras causas diversas, en los canales no revestidos

pueden producirse roturas cuyas consecuencias pueden llegar a ser

catastróficas, no sólo desde el punto de vista económico, sino de la

seguridad personal de los habitantes de zonas situadas en niveles más

bajos.

Vegetación

En los canales sin revestimientos, tanto los taludes como el fondo

tienden a cubrirse de vegetación, especialmente pastos y hierbas,

aunque también suelen en algunos casos desarrollarse en las bermas

arbustos y hasta árboles.La vegetación afecta al canal, por una parte

al restarle agua que las plantas utilizan para su desarrollo y por otra

parte al contribuir a

disminuir la

velocidad del agua,

con lo cual se reduce

el caudal, y

simultáneamente, se

facilita el depósito de

sedimentos, lo que, a

su vez, tiende a

disminuir la sección

efectiva del canal.

Limitacion de la capacidad del canal

La eliminación de la erosión permite que el agua circule en los canales

revestidos a mayor velocidad que en los de tierra, obteniéndose,

como resultado, mayor caudal para igual sección. Las velocidades

límites para canales de tierra están comprendidas entre 0,50 y 1 m/s,

dependiendo del tirante de agua y del tipo de suelo. En canales

revestidos, son admisibles velocidades muy superiores.

Costos de mantenimiento

La conservación de los canales de riego no revestidos incluye las

tareas de extracción de vegetación, cierre de aberturas, reperfilado

transversal y longitudinal, cegado de cuevas y eliminación de

animales excavadores. Las tareas mencionadas son permanentes y su

abandono, aún por cortos períodos, puede provocar inconvenientes

importantes.

Protección de la salud pública

El medio ambiente existente en los canales sin revestir es propicio a

la proliferación de insectos y en especial mosquitos.

Entre las causas que favorecen el desarrollo de mosquitos en los

canales sin revestir pueden mencionarse las siguientes:

1- Filtraciones que originan zonas pantanosas.

2- Fondos de canales no perfectamente a nivel, lo que causa la

formación de charcos y crecimiento de pasto durante los períodos en

que el canal no se usa.

3- Los mosquitos dejan sus huevos preferentemente en las

espadañas y otras malezas que crecen en los canales no revestidos.

Salinización de las tierras

En el caso en que un canal no revestido atraviese zonas en las que el

terreno presente estratos con altas concentraciones de sales, el agua

que se infiltre por capilaridad, va aumentando la salinidad del manto

que se utiliza con fines agrícolas.

2. DEFINICIÓN DE CANAL EROSIONABLE

Canales no revestidos: El cuerpo de éste tipo de canales y de

los ríos se forma de materiales con partículas de forma,

tamaño y propiedades diferentes, que varían desde grandes

piedras a material coloidal. Según 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 depositación en las zonas donde

disminuye la velocidad, lo que puede favorecer la inundación

de terrenos adyacentes por una disminución de su capacidad

hidráulica de conducción. Cuando no hay revestimiento y el

material que se excava es erosionable, las dimensiones de la

sección se eligen para evitar la erosión y la sedimentación

apreciable, es decir, se buscará impedir el arrastre producido

por el flujo en cualquier condición de operación para que el

canal sea funcionalmente estable. Esto significa que es más

importante que el canal mantenga su sección en equilibrio

dentro de los intervalos de fluctuación del gasto, que cualquier

otra condición de eficiencia hidráulica, económica 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

HIDROLOGÍA

conformada la sección, la compactación de su plantilla y

taludes.

Sección típica sin revestimiento para canales principales y laterales

3. UTILIDAD

Conducciones para riego.

Drenaje.

Estabilización de cauces fluviales.

4. DISEÑO DE CANALES SIN REVESTIR (EROSIONABLES)

4.1. CRITERIOS DE DISEÑO:

En el diseño de estos canales propensos a la erosión se debe tener cuidado con el problema de la estabilidad de la sección para que esta quede estable, teniendo en cuenta la máxima velocidad y el ángulo de reposo de las partículas que conforman los lados del canal. El comportamiento del flujo en un canal erosionable está influenciado por tantos factores físicos y tantas condiciones de campos complejos e inciertos que es difícil dar un diseño preciso de tales canales, aquí mencionaremos algunos aspectos a considerar.

a) Velocidad máxima y Minima

Los canales que llevan agua con velocidades más altas pueden buscar en la cama y los lados del canal que conduce al colapso del canal. Por otro lado, la velocidad mínima admisible no debe permitir que el crecimiento de la vegetación. Con el fin de disminuir el depósito de sedimentos y crecimiento de vegetación, la velocidad mínima recomendada en canales sin revestir será de 0.40 m/s. Las velocidades máximas permisibles en este tipo de canales pueden ser las que se muestran en la siguiente tabla:

Velocidades máximas permitidas en canales (Agres y

Scoates)

Material Velocidades

(m/s)

Suelo arenoso muy suelto 0,30 - 0,45

Arena gruesa o suelo arenoso suelto 0,46 - 0,60

Suelo arenoso promedio 0,61 - 0,75

Suelo franco arenoso 0,76 - 0,83

Suelo franco de aluvión o ceniza

volcánica 0,84 - 0,90

Césped de crecimiento ralo o débil 0,90

Suelo franco pesado o franco arcilloso 0,90 - 1,20

Suelo con vegetación regular 1,22

Suelo arcilloso o cascajoso 1,20 - 1,50

Césped vigoroso, denso y permanente 1,52 - 1,83

Conglomerados, cascajo cementado,

pizarra blanda 1,80 - 2,4

Roca dura 3,00 - 4,50

Hormigón 4,51 - 6,00

Según la Sociedad Americana de Ingeniería Civil de los EE.UU, tenemos:

Material Velocidad

permisible (m/s)

Mínima Máxima

Suelo arenoso muy suelto 0,45 0,75

Arena gruesa o suelo arenoso suelto 0,75 1,25

Suelo arenoso promedio 1,25 2

Velocidad Media

Formula de Manning

- Las velocidades en los canales varían

- La velocidad mínima no tiene que producir sedimentación

- La velocidad máxima no debe producir erosión en las paredes ni en el fondo del canal

Velocidades máximas recomendadas en función de las

características de los suelos

Característica del suelo Velocidades

máximas (m/s)

Canales en tierra franca 0.6

Canales en tierra arcillosa 0.9

Canales revestidos con piedra y mezcla

simple 1

Canales con mampostería de piedra y

concreto 2

Canales revestidos con concreto 3

HIDROLOGÍA

c) Caudal

- El caudal para el diseño de canales es un dato de partida, que se puede calcular con base en el módulo de riego

- Si el canal sirve para evacuar excedentes de las aguas pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las condiciones hidrológicas.

- El caudal para el diseño de canales es un dato ya encontrado, y estará condicionado al tipo de cultivo que se quiera regar.

d) Pendiente longitudinal

La pendiente en general debe ser la que permita dominar

la mayor superficie de tierra y que a la vez sea de

impedimento para que se produzca erosión y

sedimentación. A continuación se muestran las

pendientes máximas recomendadas en función del tipo

de suelo.

Pendiente admisible en funcion del tipo de suelo.

d) Taludes

- Mientras más inestable sea el material, menor será el

ángulo de inclinación de los taludes.

- La inclinación de las paredes laterales depende de

varios factores, pero muy particularmente de la clase

de terreno donde están.

- El talud de la sección transversal seleccionada para un

canal debe ser el que permita la fluidez adecuada,

satisfaciendo las relaciones apropiadas entre las

dimensiones del canal.

e) Borde libre

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 cálculo del borde

libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie

del agua en un canal, se puede originar por causas

incontrolables

Bordes libres de acuerdo al caudal

Caudal m3/s Revestido (cm) Sin revestir (cm)

< 0.05 7.5 10.0

0.05 – 0.25 10.00 20.0

0.25 – 0.50 20.0 40.0

0.50 – 1.00 25.0 50.0

> 1.00 30.0 60.0

4.2. DISEÑO DE CANALES CON EROSION EN EL FONDO

El diseño de canales sin revestir exige que no se

deposite material de suspensión y que la capacidad

erosiva del flujo no erosione las paredes y el lecho del

canal, para esto existen dos métodos para el diseño

de canales sin revestir: El método de la velocidad

permisible y el método de la fuerza tractiva.

A) Criterio de la Velocidad máxima permisible

La velocidad máxima permisible o velocidad no

erosionante es la mayor velocidad promedio que no

causará erosión en el cuerpo del canal. Cuando otras

condiciones son iguales, un canal más profundo

conducirá el agua con una velocidad media más alta

sin erosión que un canal poco profundo. Es probable

que esto se deba a que la socavación

primordialmente es causada por las velocidades cerca

del fondo y, para la misma velocidad media, las

velocidades cercanas al fondo son mayores en

canales menos profundos.

B) Criterio de Fuerza tractiva admisible.

-Fuerza tractiva

Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una

fuerza que actúa sobre el lecho de éste en la dirección

del flujo. Esta fuerza, la cual es simplemente el

empuje del agua sobre el área mojada, se conoce

como fuerza tractiva. En un flujo uniforme la fuerza

tractiva en apariencia es igual a la componente

efectiva de la fuerza gravitacional que actúa sobre el

cuerpo de agua.

La fuerza tractiva permisible es la fuerza tractiva

unitaria máxima que no causa erosión importante en

el material que forma el lecho del canal en una

superficie plana. Esta fuerza tractiva unitaria puede

determinarse por medio de experimentos de

laboratorio, y el valor así obtenido se conoce como

fuerza tractiva crítica.

Ahora, la determinación de la fuerza tractiva

permisible se basa en el tamaño de la partícula para

materiales no cohesivos y en la compactación o

relación de vacíos para materiales cohesivos. Otras

TIPO DE SUELO PENDIENTE (S) EN %o

Suelos sueltos 0.5 – 1.0

Suelos francos 1.5 – 2.5

Suelos arcillosos 3.0 – 4.5

HIDROLOGÍA

propiedades del suelo, como el índice de plasticidad

o la acción química pueden tenerse en cuenta como

índices para definir con mayor precisión la fuerza

tractiva permisible.

V. CONSIDERACIONES EN SUELOS

EXPANSIVOS, BLANDOS Y

COLAPSABLES

Un canal abierto es un conducto en el que el líquido fluye con una superficie sometida a la presión atmosférica. El flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del líquido. La solución exacta de los problemas de flujo es difícil y depende de datos experimentales que debe cumplir con una gama de condiciones.

1. CONSIDERACIONES DE DISEÑO:

a) CONSIDERACIONES PARA SUELOS EXPANSIVOS

Definición de Suelo Expansivo: El término generalmente se aplica a cualquier suelo que tiene un potencial de

encogerse o expandirse bajo condiciones cambiantes de humedad. Cuando el suelo se seca, se incrementa la tensión de capilaridad del agua (presión negativa) y esto causa que el suelo se

contraiga. Alternativamente, si el suelo gana humedad, la tensión de capilaridad disminuye y se produce una expansión. Todo suelo arcilloso debe ser considerado potencialmente expansivo. También, existen rocas que son susceptibles a expandirse. Generalmente, las rocas arcillosas como pizarras, lutitas, limolitas y argilitas son expansivos y se deben tomar las mismas consideraciones que en suelos expansivos.

Identificación en campo: Algunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son:

- Grietas de secado. Las grietas aparecen en la superficie de terreno durante periodos de sequía, con un arreglo geométrico del tipo poligonal, frecuentemente de gran dimensión. La resistencia del suelo seco es alta.

- Plasticidad. Es relativamente fácil hacer un rollo sin triturarlo.

- Espejos de fricción. Las superficies de suelos recientemente expuestas al aire muestran abundantes fisuras y espejos de fricción.

- Textura. Los suelos son resbalosos y tendientes a pegarse a zapatos o llantas de vehículos cuando están húmedos.

- Daños estructurales. La observación de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indican el potencial de expansión

Factores que Influyen el Encogimiento-Hinchamiento de los Suelos

Mineralogía de las Arcillas

Los minerales de arcilla exhiben diferentes características expansivas. La capacidad de la masa de suelo a expandirse depende enteramente del tipo y cantidad del mineral de arcilla presente. Los Minerales de arcilla que causan los cambios volumétricos son del grupo Smectita (Montmorilonita) y Vermiculita. Ilitas y Caolinitas son raramente expansivos, pero pueden sufrir cambios volumétricos cuando el tamaño de sus partículas son muy pequeñas ( <0.10um).

Química del Agua Subterránea

Cationes de Sodio, Calcio, Magnesio y Potasio disueltos en el agua son absorbidos sobre la superficie de las arcillas como cationes intercambiables para balancear las cargas eléctricas superficiales. Dependiendo del tipo de catión intercambiable, se alteraran las propiedades expansivas de un suelo.

Succión en el Suelo

La succión en los suelos está representada por presión de poros negativa en los suelos no-saturados. A mayor succión, mayor hinchamiento.

Plasticidad En general, los suelos que presentan un comportamiento plástico sobre un rango grande de contenidos de humedad, y que tienen un alto Límite Líquido, tienen un gran potencial al encogimiento e hinchamiento.

Estructura y Arreglo de Partículas del Suelo

Arcillas con una estructura Floculada tienden a ser más expansivos que las arcillas con estructura dispersa.

Clima Evapotranspiración y precipitación hacen fluctuar la humedad del suelo

Condiciones del Agua Subterránea

Fluctuaciones en el nivel freático contribuyen a los cambios de humedad.

Perfil del Suelo

El espesor y posición del estrato expansible determinan la magnitud y velocidad de hinchamiento.

Estabilización del Suelo Expansivo: Todo procedimiento escogido para estabilizar un suelo expansivo deberá estar respaldado por una adecuada investigación de sitio y laboratorio y las recomendaciones del Profesional Idóneo.

Remoción y Reemplazo

Remoldeo y Compactación

b) CONSIDERACIONES PARA SUELOS BLANDOS

Los suelos blandos, pantanosos o con baja capacidad de carga que son sometidos a esfuerzos generados por alguna carga estática o dinámica, representan un riesgo para los canales por su tendencia a deformarse.

HIDROLOGÍA

Existen mecanismos de falla que provocan las deformaciones, agrietamientos o hundimientos del terreno. Cuando el suelo experimenta un esfuerzo de compresión vertical, se presenta en él una

deformación y se generan al mismo tiempo esfuerzos de tensión horizontales.

Un suelo reforzado con Geomalla reduce significativamente su deformación absorbiendo los esfuerzos generados.

La geomalla provee un confinamiento lateral en las partículas del suelo aumentando su resistencia a la tensión.

Posibles Tratamientos: Las medidas de mejora que pueden contemplarse potencialmente son:

-Excavación y sustitución.

-Estabilización con cemento o cal.

c) CONSIDERACIONES PARA SUELOS COLAPSABLES

Los suelos colapsables son suelos no saturados que experimentan, cuando están sujetos a saturación, un reacomodo de sus partículas y un excesivo decremento en su volumen con o sin la aplicación de cargas externas. Este tipo de suelo tiene mayor importancia en obras hidráulicas que en otras obras civiles, ya que aquellas siempre tienen que interactuar con el agua, cuya presencia constituye el problema primordial. Asimismo hay que tener en cuenta que el cambio climatológico que se ha experimentado ha modificado las condiciones hidrológicas de los diferentes sitios, pues en zonas áridas se presentan periodos de sequía prolongados que preceden lluvias escasas, pero a veces torrenciales; en zonas húmedas, los depósitos sedimentados producto de inundaciones recientes pueden formar zonas de peligro potencial para periodos de tormenta futuros. Los suelos colapsables son altamente inestables ante estos fenómenos extremos. Sin embargo, hay que considerar que si los suelos se identifican oportunamente, los problemas que se presentan se resuelven en forma técnica y económicamente aceptable, tomando en cuenta la colapsibilidad del suelo, causas que producen saturación y estimación de asentamientos por colapso. Lo anterior es con el fin de que se pueden sugerir recomendaciones, métodos adecuados de estabilización o de diseño.

El objetivo principal de estas soluciones es eliminar o disminuir apreciablemente la susceptibilidad al colapso del suelo, bien disminuyendo la porosidad del suelo

(compactación) o bien aumentando la resistencia estructural entre las partículas del suelo (métodos físico-químicos). Una de las formas de clasificar los

métodos de mejoramiento o estabilización, ha sido precisamente ésta, o sea teniendo en cuenta la acción resultante sobre el suelo.

Se ha observado en las investigaciones que los suelos colapsables adquieren un esfuerzo efectivo máximo cuando ellos tienen un contenido de agua de alrededor de 10%. Existen suelos colapsables, que una vez saturados, son altamente compresibles, hecho que explica el gran cambio de volumen que sufren estos suelos; las cargas externas también ayudan a la solución de materiales cementantes que existen en los contactos intergranulares.

Sin embargo, para el desarrollo y explicación de los diferentes métodos se ha elegido la clasificación de los métodos de estabilización de suelos loéssicos, la cual puede hacerse extensiva a suelos Colapsables:

- Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por compactación.

- Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por modificación de su granulometría.

- Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por la creación de nuevos contactos cohesivos.

- Métodos de mejoramiento por medio del reemplazo del suelo colapsable por suelo no colapsable.

- Geomembranas.

2. INFILTRACION EN CANALES NO REVESTIDOS

La observación directa ha demostrado que una considerada,

cantidad de agua que se pierde por infiltración, cuando ésta

circula por canales de tierra no revestidos. Esto no puede ser

contemplado con indiferencia, ya que si esto ocurre disminuye

HIDROLOGÍA

la eficiencia de conducción del sistema con las

correspondientes pérdidas económicas

Es necesario cuantificar las pérdidas por infiltración para

estimar los costos que esto representa y decir si es adecuado

o no su revestimiento con el fin de disminuir estas pérdidas o

cambiar el trazado del canal porque el suelo permite una gran

pérdida de agua.

Para determinar estas pérdidas, ya sea en un canal o en un río

existente, la forma más fácil es realizar aforos entre dos

secciones, suponiendo que no hay otro tipo de pérdidas. Y

efectuando las diferencias pertinentes de los valores

encontrados de caudal, se puede determinar el caudal que se

pierde por la infiltración.

La diferencia entre el caudal de ingreso y el de egreso a un

tramo considerado expresado en porcentaje del de ingreso

representa la pérdida por infiltración.

Otra manera de medir la infiltración es aislar un tramo de

canal, llenarlo de agua y dejarlo de dos a tres días, luego medir

la disminución de volumen de agua que se produce. O

también, fabricando una pileta de prueba para la infiltración.

Si la red de canales no existe, evidentemente que el método

anterior no puede ser aplicable, entonces algunos autores han

encontrado expresiones empíricas o semiempíricas para una

determinación estimativa del caudal perdido por infiltración.

Una de éstas es el CRITERIO DE MORITZ, del cual hablaremos

en los métodos, que divide a los canales en dos clases: canales

normalizados y canales no normalizados.

FACTORES QUE INTERVIENEN

A parte de los parámetros directos que han intervenido en la

fórmula hay otros que hacen que la cuantificación de las

pérdidas por infiltración sea bastante difícil, a saber:

a) La edad del canal: Un canal excavado al principio de su vida

útil producirá mayores pérdidas por infiltración, a medida que

pasa el tiempo se produce una estabilización del perímetro

mojado (taludes y fondo), que como consecuencia, trae

aparejado una reducción de las pérdidas. Debido a la

estabilización en el tiempo. Dentro de este aspecto es

necesario también tener en cuenta el tipo de agua que

conducen los canales, el material en suspensión que trae el

agua se va depositando y produce una cierta

impermeabilización natural con el tiempo.

b) La permeabilidad: La permeabilidad del lecho del canal, la

percolación dependen de la permeabilidad del suelo y son

tanto mayores cuando más poroso y grueso es el suelo.

c) Sección hidráulica: También las características de la sección

hidráulica producen su influencia. Cuanto mayor sea el ancho

del fondo y menor el tirante de agua, mayor es la posibilidad

de infiltración, o sea que está directamente relacionada con el

cociente entre el área de la sección transversal y el perímetro

mojado (el radio hidráulico).

d) Napa freática: La presencia de napa freática, si la misma está

muy cerca de la superficie del terreno, la infiltración es mínima,

si está interceptando la zona excavada de un canal puede

llegar a ser nula o hasta negativa, es decir, que el canal

funciona como un drenaje, y entonces en vez de pérdidas hay

afluencia de agua hacia el canal.

e) La temperatura: La temperatura del agua, que está

directamente relacionada a la viscosidad de la misma.

Entonces a mayor temperatura habrá mayor facilidad del agua

de percolar a través del medio poroso que constituye el suelo,

o sea el fondo y los taludes laterales.

Ley de Darcy

El movimiento del agua en el suelo ocurre a través de los

espacios que existen entre las partículas, y se debe a las fuerzas

capilares, a la fuerza de gravedad, o a la combinación de

ambas. En suelos no saturados dominan las fuerzas capilares,

a la fuerza de gravedad, o a la combinación de ambas. En

suelos no saturados dominan las fuerzas capilares y el

movimiento se realiza del suelo húmedo al seco en diferentes

direcciones. En suelos saturados; es decir aquellos en los que

no hay aire el movimiento obedecen a la ley de permeabilidad

de Darcy es decir:

V=Ki

Donde,

V: es la velocidad del agua en m/seg

K: Es un coeficiente que representa la permeabilidad del suelo en m/seg

i: El gradiente hidráulico, Δh/L, el cual es adimensional.

MÉTODO EMPÍRICO Existen un gran número de fórmulas empíricas para la determinación un gran número de filtración. Algunas de ellas se presentan a continuación. 1. Fórmula desarrollada por T. Ingham.

𝑆 = 0.0025√𝑌(𝐵 + 2𝑚𝑌) Donde, P: Es la pérdida de infiltración en m3/seg/km Y: es la profundidad del agua en m. B: Es el ancho de la base del canal en m m: Es el talud lateral, y el coeficiente es un factor que representa las características del suelo.

2. Fórmula desarrollada por Etcheverry

HIDROLOGÍA

𝑆 = 0.0064𝐶𝑐√𝑌(𝐵 + 1.33√1 + 𝑚2)

Donde, Cc es un coeficiente que representa la permeabilidad del suelo, las otras variables corresponde a lo descrito anteriormente. En la tabla Se muestran los valores de Cc

3. Fórmula desarrollada por Pavlovski

𝑆 = 1000𝐾(𝐵 + 2𝑌(1 + 𝑚)) Donde,

K: Es el coeficiente de permeabilidad del suelo, en m/seg

4. Fórmula desarrollada por Davis – Wilson.

𝑆 =(𝐶𝑑𝑌

13(𝐵 + 2𝑌√1 + 𝑚2))

(8861 + 8√𝑉)

Dónde, V: Es una velocidad del agua en m/seg. Cd: Es un coeficiente que representa la permeabilidad del suelo, los valores de Cd se encuentran en la tabla

5. Fórmula de Moritz

Moritz divide a los canales en dos grupo: normalizados y no normalizados, se denomina Canal Normalizado a aquél en que la velocidad media de escurrimiento (obtenida en el diseño de la sección transversal), resulta igual a la obtenida con la siguiente expresión:

𝑈𝑀 =𝑌1.25

(0.425 + 𝑌1.25)

Dónde: UM se expresa en m/seg. (El subíndice M indica Moritz) y Y en m, para el cual la pérdida de agua por infiltración se calcula como:

𝑆 (𝑚3

𝑠𝑥𝑘𝑚) = 0.038𝑥𝐶𝑥√

𝑄 (𝑚3

𝑠)

𝑈 (𝑚𝑠 )

Dónde: Q: es el caudal en m3/seg, U: es la velocidad media en m/seg., y el coeficiente C depende del tipo de terreno e indica la cantidad de m3 de agua perdidos en un día por cada m2 de superficie del cauce. El coeficiente C depende del tipo de suelo en el cual está excavado el canal bajo análisis. Cuando no se cumple la condición de la velocidad media de escurrimiento para canales normalizados, se denomina Canal No Normalizado, y la pérdida de agua por infiltración se calcula como:

𝑆 (𝑚3

𝑠𝑥𝑘𝑚) =

0.018𝑥𝐶𝑥𝑇𝑥√𝑌

√𝐴4

Dónde: T: es el espejo de agua en metros, Y:es la altura normal en metros 𝐴: es la área mojada en m2, y el valor del coeficiente C tiene el mismo significado que para canales normalizados. Los valores del coeficiente C para ambos casos se obtienen de la Tabla Coeficientes C de Moritz.

TIPO DE SUELO COEFICIENTE C

SUELO LIMO ARCILLOSO IMPERMEABLE.

0.08 - 0.13

SUELO LIMO ARCILLOSO COMÚN. 0.13 - 0.23

SUELO LIMO ARCILLOSO ARENOSO. 0.23 - 0.30

SUELO LIMO ARENOSO. 0.30 - 0.49

SUELO LIMO ARENOSO SUELTO. 0.49 - 0.61

SUELO ARENOSO CON GRAVA. 0.61 - 0.76

SUELO DE GRAVA POROSO. 0.76 - 0.92

SUELOS DE GRAVA DOMINANTE. 0.92 - 1.83

TIPO DE SUELO COEFICIENTE Cc

ARCILLOSO 0.25 – 0.50

FRANCO Y ARCILLOSO 0.50 – 0.75

LIMOSOS Y FRANCOS 0.75 – 1.00

FRANCOS Y ARENOSOS 1.00 – 1.50

ARENAS FINAS 1.50 – 1.75

ARENAS GRUESAS 2.00 – 2.50

GRAVAS 2.50 – 6.00

Clase de suelo K (cm/s)

Grava 102 – 10-1

Arena gruesa 10-1 – 10-3

Arena fina 10-2 – 10-4

Tierra arenosa 10-3 - 10-5

Tierra franco arcillosa 10-5 -10-9

Tierra franca 10-4 – 10-7

Limo 10-4 10-5

Arcilla 10-6 – 10-8

Arcilla compacta 10-7 - 10-10

MATERIAL COEFICIENTE Cd

SUELO ARCILLOSO 12

SUELO FRANCO – ACILLOSO 15

SUELO FRANCO 20

SUELO FRANCO – ARENOSO 25

ARCILLA LIMOSA 30

ARENA 40 – 70

HIDROLOGÍA

6. Fórmula desarrollada por Punjab

𝑆 = 𝐶𝑃𝑄0.563 Dónde, Q: Es el caudal en m3/seg CP: Un coeficiente que representa la permeabilidad del suelo, los valores de CP se encuentra en la tabla

TIPO DE SUELO COEFICIENTE CP

SUELOS MUY PERMEABLES

0.03

SUELOS COMUNES 0.02

SUELOS IMPERMEABLES

0.01

El caudal final del tramo de un canal puede ser calculado por:

𝑄𝑓 = 𝑄𝑖 − 𝑃𝐿

Donde,

Qf: Es el caudal final del tramo considerado en m3/seg Qi: Es el caudal inicial del tramo considerado en m3/seg P: Es la pérdida por infiltración en m3/seg/km L: Es la longitud del tramo considerado en km.

MÉTODO PRÁCTICO

Existe una gran variedad de métodos para determinar las pérdidas por infiltración en canales mediante mediciones en campo, en el presente trabajo analizaremos el método de estancamiento, debido a que resulta fácil de realizar, aunque presenta algunas desventajas.

Primera forma

Lo más recomendable es medir la pérdida por infiltración en el sitio mismo de la excavación.

Cuando se trata de un nuevo proyecto, se utiliza un medidor de filtración como el que se muestra en la figura.

Consiste en un tubo de acero hincado en el suelo, en el que se mide la caída del nivel del agua o el volumen necesario para mantener constante dicho nivel durante un periodo definido.

Segunda forma

Aislando un tramo de una canal por medio de un relleno de tierra al principio y al final del tramo el método consiste en medir la velocidad de

infiltración del agua en el estanque que se forma en el tramo.

El método tiene la desventaja de ser costoso, además de interrumpir al servicio del canal durante la medición.

La fórmula que se usa para el cálculo es el siguiente:

𝑆 =𝑇(𝑌1 − 𝑌2)𝐿

𝑃𝐿

Dónde:

S: infiltración media a lo largo de la longitud L; en m3/m2 en 24 horas.

T: espejo de agua medio en el tramo estancado.

Y1: Tirante de agua al inicio de la medición.

Y2: Tirante al cano de 24 horas

P: Perímetro promedio

Tercera forma

Este método consiste en medir el volumen de agua que se infiltra en un canal de prueba, de sección transversal y longitud conocida durante un tiempo determinado. Este se ubica en un lugar que represente las características del suelo donde se construirá el canal definitivo.

El inconveniente que presenta este método es que el agua se encuentra inmóvil, lo cual no es la condición de trabajo del canal facilitándose así la obstrucción temporal que ocurre debido a la sedimentación de las partículas que se encuentran en suspensión.

Las pérdidas pueden ser calculadas por la siguiente Fórmula:

𝑆 =(𝑉𝑖 − 𝑉𝑓)1000

∆𝑡𝐿

𝑆 =[(𝐵𝑌1 + 𝑚𝑌1

2) − (𝐵𝑌2 + 𝑚𝑌22)]1000

∆𝑡

Dónde:

Y2: Es la altura del agua al final de la prueba, en m. m: Es el talud lateral del canal. Δt: es el tiempo transcurrido durante la prueba, en seg. L: Es la longitud del canal de prueba, en m. b: Es el ancho del canal trapezoidal, en m Y1: Es la altura del agua al inicio de la prueba, en m

HIDROLOGÍA

VI. ANEXOS

Se anexan las fotografías tomadas en salidas de grupo a campo en donde se hallaron canales naturales, sin revestimiento y revestidos.

VII. BIBLIOGRAFIA

1.-) Canales Murguía Sergio (2005). Design of Irrigation Canals. (3ra Ed.). EEUU, Ed:Great British. Np: 2 – 28.

2.-) Jose Duque Serna (2007). Canales Teoría y Diseño. (1ra Ed.). EEUU, Ed: Universidad de Medellin British. Np: 310 – 321

3.-) Jose Liria Montañes (2006). Hydraulic Canals. (3ra Ed.). EEUU, Ed:Taylor/Francis. Np: 1 – 410.

4.-) Wuilian Andonaire (2005). Canals. (7ma Ed.). EEUU, Ed:FAO. Np: 1 – 91.

5.-) Sin Autor (2005). Channel Design. (… Ed.). EEUU, Ed:Hydromechanics VVR090. Np: 1 – 16.

6.-) Gary P. Merkley (2005). Canal Design Basics. (3ra Ed.). EEUU, Ed:BIE lECTURES. Np: 1 – 10.

7.-) Edgar G. Sparrow Alamo (2008). Hidraulica Basica De Canales. (1ra Ed.). EEUU, Ed:National University Santa. Np: 1 – 168.