MÉTODO DE SIMONS Y HENDERSON
11. Se calcula la transición de entrada La transición debe ser hecha lo mejor posible considerando que la eficiencia de la sedimentación depende en gran
10.8.7. Diseño del Canal Principal 1 Generalidades
El canal principal tomará sus aguas del río Ustuna en el Km. 0 + 000 de la margen izquierda.
La toma del canal de alimentación será de concreto y sus dimensiones son de 0.50 m de ancho y 0.35 m de altura. Esta toma poseerá una compuerta metálica deslizante y su cota de fondo es 2441.39 msnm. Este canal discurrirá sus aguas por los linderos de las parcelas existentes en la parte baja y finalmente es en el Km 2 + 000 en donde se prevee la entrega de sus aguas a la parcelas en la tomas laterales.
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:
Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.
Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub-laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales, y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub-lateral se conoce como unidad de rotación.
De lo anterior se deduce que varias unidades de rotación constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adapta el nombre o codificación del canal madre o de primer orden.
10.8.7.3.- Elementos básicos en el diseño del canal
Se consideran elementos topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos, ambientales, agrológicos, en otros.
10.8.8.- Trazo del canal
10.8.8.1.- Descripción del Trazo Definitivo
El trazo del canal principal definitivo se inicia en la toma de Ustuna de Ustunaccocha en la margen izquierda del río Ustuna.
El canal de alimentación será revestido de concreto en toda su longitud de 19,940 m con el fin principal de evitar pérdidas de agua durante su recorrido.
En su tramo comprendido entre los Km 0 + 000 y 19 + 940 la pendiente del canal es variable de 1.5%0, 1%0, 2 %0, 2.5%0 y los taludes del canal será de 0:0 canal rectangular y los taludes del canal será de 0.75
i. Plano Topográfico
El plano topográfico que sirvió de base para efectuar el trazo del canal de conducción fue tomado a la escala 1: 1 500 así como levantamientos especiales efectuados en el campo.
Las bases de diseño están conformadas por los siguientes planos topográficos:
Plano de planta topográficos N° PP – 1 a PP - 20 (20 láminas). Plano de perfil longitudinal N° PP – 2 a PP – 20 (20 láminas). Plano de secciones transversales N° ST – 01 a ST - 20 (20
láminas). 10.8.8.3.- Criterios de Diseño
Para efectuar el diseño del trazo y de las secciones del canal de alimentación principal se han tenido en cuenta los siguientes criterios:
Caudales Máximos. Velocidad permisible. Coeficiente de rugosidad.
Pendiente, taludes, ancho de fondo y borde libre. Radio mínimo de curvas.
10.8.8.4.- Caudal Máximo de Diseño
De acuerdo con el diagnóstico agrícola y el estudio sobre las áreas de expansión en el sector de riego Ccasanccay – Vinchos, el canal de alimentación deberá captar del río Ustuna un caudal máximo de
Q = 0.400 m3/seg (Progresiva: 0 + 300 – 3 +212 Km) Q = 0.430 m3/seg (Progresiva: 3 + 212 – 19 + 940 Km)
Con el fin de satisfacer las demandas de agua de las áreas en estudio que serán regadas de 1510 has y además poder abastecer de agua potable.
De acuerdo a la textura que posee estos suelos el modulo de riego para el que han sido diseñadas es de 0.75 lt/seg/ha (gravedad tecnificado) y 0.40 lt/seg/ha (presurizado) que satisface el requerimiento de agua de los denominados “otros cultivos” como se demostró en el acápite de generalidades.
10.8.8.5.- Velocidad media permisible
Se ha proyectado construir el canal de alimentación con revestimiento de concreto en toda su longitud, con el fin de evitar pérdidas de agua en su condición, ya que los terrenos por las que atraviesa son de
textura media y permeable. Además un canal revestido permite diseñar la rasante del canal con una mayor pendiente que evite la sedimentación del canal con limos arenosos provenientes de las erosiones de cárcavas cercanas al cauce del río.
La velocidad máxima calculada es de 0.839 m/seg que están por debajo de lo permisible para canales revestidos.
10.8.8.6.- Coeficiente de Rugosidad
Para el caso de canales revestidos de concepto se ha considerado un coeficiente de rugosidad de Ks = 71.43 m1/3/seg (n = 0.014).
10.8.8.7.- Pendiente Longitudinal del canal
La pendiente adoptada ha sido chequeada para que el flujo no discurra en condiciones críticas ni supercríticas.
La máxima pendiente que existe es de (1.0%0 -1.5%0 – 2.0 %0, 2.5 %0) en los diferentes tramos de 19,940 m del canal de conducción o alimentación.
10.8.8.8.- Taludes
Para una adecuada construcción del canal se ha adoptado un talud de 0:0 para una sección transversal rectangular y (0.50) para una sección transversal trapezoidal.
10.8.8.9.- Ancho de solera del canal
El ancho de fondo o de solera del canal de alimentación es constante y está en función del caudal, la pendiente, el coeficiente de rugosidad y el talud, que para condiciones de una sección hidráulica óptima determina ancho de fondo más eficiente y sección más económica. Para el caso del canal de alimentación o principal el ancho de fondo del canal es de 1.00 m. Se ha tratado de uniformizar el ancho de solera en los canales de secciones hidráulicas tanto rectangular y trapezoidal con la finalidad de no considerar las transiciones en los cambios de secciones que se presentan en los diferentes tramos debido al cambio de pendiente de la rasante.
Los tirantes del canal proyectado son variables en todo su recorrido y se ha computado con las formulas de MANING ó SRICKLER mediante los gráficos de CURVA DE DESCARGA (Tirante Versus caudal/velocidad) ingresando con el caudal de diseño interceptando primero con la curva de Tirante versus Caudal so obtiene el tirante de agua y luego interceptando la curva de Tirante versus velocidad y proyectando una perpendicular al eje de la velocidad se obtiene este valor.
10.8.8.11.- Bordo libre
El borde libre del canal ha sido adoptado teniendo en cuenta el caudal máximo y las recomendaciones del Bureau of Reclamation. El bordo libre máximo en el canal es de 0.20 m.
10.8.8.12.- Radios mínimos de Curvas en el canal
El radio mínimo recomendable se puede calcular de 5 a 7 veces el ancho superficial del agua en el canal. Para el caso del canal el radio mínimo adoptado es de 5 m.
10.8.8.13.- Elementos de una curva
A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20m.
C = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.
β = Ángulo de deflexión, formado en el PI
E = External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz. F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga.
G = Grado, es el ángulo central.
LC = Longitud de curva que une PC con PT. PC = Principio de una curva.
PI = Punto de inflexión. PT = Punto de tangente. PSC = Punto sobre curva. PST = Punto sobre tangente. R = Radio de la curva
10.8.8.14.- Rasante de un canal
Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 ó 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 ó 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10. El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar empleando el Software AUTOCAD CIVIL 3 D (AUTOCAD Clásico, ATOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL).
Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:
La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo definitivo. Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego u obra de arte.
La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimizar el movimiento de tierra), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante de fondo se prueba con el caudal
especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, también se tiene la máxima eficiencia o mínima infiltración.
El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información:
Kilometraje Cota de terreno
BMs (cada 500 ó 1000 m) Cota de rasante
Pendiente
Indicación de las deflexiones del trazo con elementos de curva
Ubicación de las obras de arte
Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje
Tipo de suelo
Cuadro con elementos geométricos o hidráulicos del diseño.
La sección hidráulica optima del canal proyectado se ha computado la plantilla con la fórmulas de máxima eficiencia hidráulicas para que permita conducir el máximo caudal con un mínimo perímetro mojado y el resto de parámetros hidráulicos se ha calculado con las fórmulas de flujo uniforme de MANNING o STRICKLER y la verificación con las formulas de flujo critico de los cuales existe un parámetro importante el Número de FROUDE donde en todo canal se diseña en flujo subcrítico. 10.8.8.16.- Criterios de espesor de revestimiento
No existe una regla general para definir los espesores de revestimiento de concreto, sin embargo según la experiencia acumulada en la construcción de canales en el país, se puede usar un espesor de 5 a 7.5 cm para canales pequeños y medianos y 10 a 15 cm para canales medianos y grandes, siempre que estos se diseñen sin armadura. Para el canal proyectado de conducción será de 7.5 cm de espesor de revestimiento en toda la longitud del canal.
10.8.8.17.- Diseño de secciones hidráulicas i. Secciones Típicas
El canal diseñado tiene en toda su longitud un espesor de revestimiento de 7.5 cm recomendado para este tipo de canal si es de sección hidráulica trapezoidal y si de sección hidráulica rectangular el espesor de revestimiento de 10.0 cm. Se ha confeccionado el plano N° - 1 en lo se consigna las características constructivas del canal de sección rectangular y trapezoidal. ii. Valores Básicos
Caudal de Diseño (Qmax.) = 0.400 m3/seg – 0.430 m3/seg Coeficiente de rugosidad (n) = 0.014
Talud (1: 0.75)
Pendientes longitudinales (S) = 1, 1.5, 2, 2.5 %0 iii. Formulas aplicadas para el diseño de un canal
Formulas de Máxima Eficiencia Hidráulica para computar la plantilla (b) Computando la Plantilla del Canal (B). Aplicando las Fórmulas de Máxima Eficiencia Hidráulica m = (2 (1 + z2)0.5)0.5………. (1) D = (m /(m2 – z + 2 (1 + z2)0.5 ………. (2) V =D (Q1/2 (S1/2/n)3/2)0.5……….. (3) A = Q/V………. (4) Y = 1/m (A) 0.5 ……… . (5)
b = A/Y – ZY……….. (6)
P = b + 2Y (1 + Z2)0.5 ……… (7)
R = A/P………. (8)
R = Y/2 ……….. (9)
Formulas de Manning o Strickler para computar los parámetros hidráulicos de la sección hidráulica optima. A = b* t + Z* t2 = 0.80 * t + 0.75 * t2……….. (1) P = b + 2 * t (1 + Z2)0.5 = 0.80 + 2.5 * t ……… (2) R = A / P ……….. ……… (3) V = 1/n R2/3 * S!/2 = 2.77 * R2/3 ……… (4) V = Ks * R2/3 * S!/2 H = t + V2/2g = t + V2/19.62 ……… (5) Q = V * A……… (6) Canal de Sección Hidráulica Rectangular
Formulas de Flujo Uniforme A = b * t P = b + 2y R = A / P V = 1/n R2/3 * S1/2 V = Ks * R2/3 * S!/2 H = t + V2/2g Q = V * A
iv. Comprobación del diseño hidráulico Formulas de flujo crítico
V < Vc t > Yc F< 1 S < Sc
Valores Básicos Qmax = 0.400 m3/seg 1: z = 1: 00 n = 0.014 S = 0.0015 Q Z n S m D V A Y b P R (m3/seg) (%0) (m/seg) (m2) (m) (m) (m) (m) 0.400 0.00 0.014 1.5 1.32 0.62 1.01 0.39 0.44 0.89 1.78 0.22 Valores Básicos Q = 0.400 m3/seg b =0.90 m z = 0.00 n = 0.014 s = 0.0015 A = b x t P = b + 2t Rh = A/P V = 1/n x R2/3 x S1/2 H = t + v2/2g
Q = V x A
Resultados aplicando las formulas de Manning – Strickler
t A P R V V2/2g H Q (m) (m2) (m) (m) (m/seg) (m) (m) (m3/seg) 0.1 0.090 1.100 0.082 0.517 0.014 0.114 0.047 0.2 0.180 1.300 0.138 0.736 0.028 0.228 0.132 0.3 0.270 1.500 0.180 0.877 0.039 0.339 0.237 0.44 0.396 1.780 0.222 1.011 0.052 0.492 0.400 0.5 0.450 1.900 0.237 1.054 0.057 0.557 0.474 0.6 0.540 2.100 0.257 1.114 0.063 0.663 0.601 0.7 0.630 2.300 0.274 1.162 0.069 0.769 0.732 0.8 0.720 2.500 0.288 1.201 0.074 0.874 0.865 0.9 0.810 2.700 0.300 1.235 0.078 0.978 1.000 1 0.900 2.900 0.310 1.263 0.081 1.081 1.137 t b A P R H e n S T T* Bl Q V Flujo m m m2 m m m cm %0 m m m m3/s m/s Subcrítico 0.44 0.90 0.396 1.78 0.222 0.492 10 0.014 1.5 0.90 0.90 0.06 0.400 1.01 0.63
Tramo (0+300 km – 3+ 220 km) Canal Tipo Trapezoidal Valores Básicos Qmax = 0.400 m3/seg Talud (Z) = 1:0.50 n = 0.014 Pendiente (S) = 2%0 R = A/P R = Y/2 Q Z n S m D V A Y b P R (m3/seg) (%0) (m/seg) (m2) (m) (m) (m) (m) 0.400 0.50 0.014 2.00 1.32 0.62 1.17 0.34 0.44 0.55 1.54 0.22 Valores Básicos Q = 0.400 m3/seg b = 0.70 m
0.1 0.088 0.950 0.092 0.650 0.022 0.122 0.057 0.2 0.190 1.200 0.158 0.933 0.044 0.244 0.177 0.3 0.255 1.450 0.176 1.001 0.051 0.351 0.255 0.3951 0.355 1.688 0.210 1.127 0.065 0.460 0.400 0.5 0.475 1.950 0.244 1.244 0.079 0.579 0.591 0.6 0.600 2.200 0.273 1.341 0.092 0.692 0.805 0.7 0.735 2.450 0.300 1.429 0.104 0.804 1.050 0.8 0.880 2.700 0.326 1.510 0.116 0.916 1.329 0.9 1.035 2.950 0.351 1.586 0.128 1.028 1.642 1 1.200 3.200 0.375 1.658 0.140 1.140 1.990
Computo de los Parámetros Hidráulicos del Canal Aplicando las Formulas de MANNING o STRICKLER
t b A P R H e n S T T* Bl Q V Flujo
m m m2 m m m cm %0 m m m m3/s m/s
0.3951 0.70 0.355 1.688 0.210 0.50 10 0.014 2.0 1.10 1.20 0.1049 0.400 1.127 0.633
Tramo (3+220 km – 4+520 km) Canal Tipo Trapezoidal Valores Básicos Qmax = 0.430 m3/seg Talud (Z) = 1:0.50 n = 0.014 S = 0.0015 Q Z n S m D V A Y b P R (m3/seg) (%0) (m/seg) (m2) (m) (m) (m) (m) 0.430 0.50 0.014 1.5 1.32 0.62 1.07 0.40 0.48 0.50 1.54 0.26 Valores Básicos Q = 0.430 m3/seg b = 0.70 m Z = 0.50 n = 0.014 Pendiente (S) =0.0015
| A P R V V2/2g H Q (m) (m2) (m) (m) (m/seg) (m) (m) (m3/seg) 0.1 0.088 0.950 0.092 0.564 0.016 0.116 0.049 0.2 0.190 1.200 0.158 0.810 0.033 0.233 0.154 0.3 0.255 1.450 0.176 0.869 0.038 0.338 0.222 0.45 0.416 1.825 0.228 1.034 0.054 0.504 0.430 0.5 0.475 1.950 0.244 1.080 0.059 0.559 0.513 0.6 0.600 2.200 0.273 1.164 0.069 0.669 0.699 0.7 0.735 2.450 0.300 1.241 0.078 0.778 0.912 0.8 0.880 2.700 0.326 1.311 0.088 0.888 1.154 0.9 1.035 2.950 0.351 1.377 0.097 0.997 1.426 1 1.200 3.200 0.375 1.440 0.106 1.106 1.728 t b A P R H e n S T T* Bl Q V Flujo m m m2 m m m cm %0 m m m m3/s m/s 0.45 0.70 0.42 1.83 0.23 0.50 7.50 0.014 1.5 1.15 1.25 0.10 0.43 1.03 0.54
Tramo: Km 4+520 a 5+400 Km Canal Tipo Trapezoidal Valores Básicos
Qmax = 0.430 m3/seg Talud (Z) = 1:0.50 n = 0.014
Q Z n S m D V A Y b P R (m3/seg) (%0) (m/seg) (m2) (m) (m) (m) (m) 0.430 0.50 0.014 1.0 1.32 0.62 0.92 0.47 0.52 0.64 1.80 0.26 Valores Básicos Q = 0.430 m3/seg b = 0.70 m 1:Z = 1 : 0.50 n = 0.014 S = 1%0 t A P R V V2/2g H Q (m) (m2) (m) (m) (m/seg) (m) (m) (m3/seg) 0.1 0.088 0.950 0.092 0.461 0.011 0.111 0.040 0.2 0.190 1.200 0.158 0.661 0.022 0.222 0.126 0.3 0.255 1.450 0.176 0.709 0.026 0.326 0.181 0.508 0.485 1.970 0.246 0.887 0.040 0.548 0.430 0.5 0.475 1.950 0.244 0.881 0.040 0.540 0.419 0.6 0.600 2.200 0.273 0.950 0.046 0.646 0.570 0.7 0.735 2.450 0.300 1.012 0.052 0.752 0.744 0.8 0.880 2.700 0.326 1.070 0.058 0.858 0.942 0.9 1.035 2.950 0.351 1.124 0.064 0.964 1.163 1 1.200 3.200 0.375 1.175 0.070 1.070 1.410 t b A P R H e n S T T* Bl Q V Flujo m m m2 m m m cm %0 m m m m3/s m/s 0.51 0.70 0.49 1.97 0.25 0.55 7.50 0.014 1.00 1.20 1.30 0.10 0.43 0.89 0.44