Coeficientes de Rugosidad Para Canales

(1)

COEFICIENTES DE RUGOSIDAD PARA CANALES

La rugosidad de las paredes de los canales y tuberías es función del material con que

están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso. Los valores son

determinados en mediciones tanto de laboratorio como en el campo. No es

significativa, como se puede ver a continuación, la variación de este parámetro es

fundamental para el cálculo hidráulico por un lado, y para el buen desempeño de las

obras hidráulicas por otro.

1. COEFICIENTES PARA LA FÓRMULA DE BAZÁN

Para la fórmula de Bazán los valores son:

Clase Naturaleza de las paredes m

1

 Canales con paredes de hormigón alisado con mortero

 Canales con paredes de madera cepillada sin rajaduras

 Canales con paredes de acero

Con largos trechos rectos y curvas amplias

 Tuberías de fibrocemento nuevo

0,06

2 Ídem pero con curvas no muy amplias y bien ejecutadas 0,10

3

 Canales con paredes de hormigón alisado con mortero pero no totalmente lisas, pequeñas salientes en las juntas

 Canales con paredes de madera cepillada con algunas rajaduras

 Canales revestidos con ladrillos y piedras cuadradas

 Tuberías de hierro fundido nuevas

0,16

5  Tuberías de hormigón bien alisado, diámetros mayores a 40 cm.  Tuberías en hierro fundido, en servicio corriente de cualquier diámetro.

0,23

6

 Canales de concreto paredes no alizadas, con marcas dejadas por el encofrado

 Canales con paredes de madera, con tablas poco alizadas, y ranuras entre las tablas

 Canales de tierra, construcción bien acabada

Las curvas de los canales son bastante amplias, agua no muy limpia y algunos depósitos de limo en el fondo

 Tuberías de hierro fundido de muchos años de uso fuertemente incrustadas

0,36

7bis Grandes canales con revestimiento en concreto mal acabado o deteriorado por el uso

prolongado 0.58

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otro material menudo sobre el fondo y taludes lisos; o fondo sin depósito, y vegetación baja en las orillas

 Canales con márgenes en ladrillo o piedra en malas condiciones y fondo fangoso

12

 Canales de tierra en completo abandono, con vegetación o con cascajo grueso en el fondo

 Cursos de agua naturales en terrenos terroso

2.50

Si se considera un canal de concreto, bien construido y con revestimiento nuevo, (por

ejemplo sea un canal rectangular de 5 m de base y con un tirante de i m de agua) y se

vuelve a analizar el mismo canal después de años de uso, sin un adecuado

mantenimiento, su rugosidad podría fácilmente pasar de la clase 1 a la clase 7, lo que

significaría que el canal podría transportar solamente el 32 % de su capacidad

potencial, si estuviera en óptimas condiciones. Estos aspectos deben ser considerados

cuande se analizan posibles variantes de proyectos hidráulicos de grandes dimensiones

desde el punto de vista de los impactos ambientales tenciales.

2. COEFICIENTE M PARA LA FÓRMULA DE KUTTER

Para la fórmula de Kutter los valores son:

lase Naturaleza de las paredes m

1 Canales con paredes de cemento, muy buen acabado, sección semicircular 0.12 2 Canales con paredes de cemento, muy buen acabado, sección rectangular 0.15

3 Tubos en hierro fundido nuevos, o de cemento bien alisados, con diámetro de por

lo menos algunos decímetros 0.175

6 Tubos en hierro fundido, en uso corriente, (hasta dos años de funcionamiento),

aguas limpias y de baja dureza. 0.275

7

 Canales con paredes de muros bien construidos, curvaturas de regular amplitud, agua no muy limpia, depósitos de limo

 Tuberías de Gres con varios años de uso, aguas turbidas o servidas

0.35

8 Tubos en hierro fundido, en uso desde varios años, aguas turbias 0.375

9

 Tubos de hierro fundido, en servicio desde muchos años, bastante incrustados, o con aguas sucias

 Canales con paredes de cemento o muros en albañilería revestida

0.45

12 Canales con paredes en albañilería en mal estado, fango en el fondo 1.00

15

 Canales de tierra en completo abandono, con vegetación o con cascajo grueso en el fondo

 Cursos de agua naturales en terrenos terroso

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3. COEFICIENTE N PARA LA FÓRMULA DE MANNING:

Clase Naturaleza de las paredes n

1

Canal revestido con losas de hormigón, teniendo juntas de cemento lisas y limpias, y una superficie lisa fratasada a mano y con lechada de cemento sobre la base de hormigón.

0.012

2 Canal de hormigón colocado detrás de un encofrado y alisado. 0.014

3 Zanja pequeña revestida de hormigón, recta y uniforme, con fondo ligeramente

cóncavo, los lados y el fondo recubiertos con un depósito áspero. 0.016

4  Revestimiento con concreto arrojado sin tratamiento de alisado.

 Superficie cubierta con algas finas y el fondo con dunas de arena arrastrada.

0.018

5 Canal de tierra excavado en arcilla limosa, con depósitos de arena limpia en el

centro y barro arenoso limoso cerca de los lados. 0.018

6 Revestimiento de hormigón hecho sobre roca y lava cortada, en excavación

limpia, muy áspera y pozos profundos. 0.020

7 Canal de riego, recto en arena lisa y apretada fuertemente. 0.020

8 Revoque o repello en cemento, aplicado directamente a la superficie preparada

del canal de tierra. Con pasto en los lugares rotos y arena suelta en el fondo. 0.022

9 Canal excavado en arcilla limo arenosa. Lecho parejo y duro. 0.024 10 Zanja revestida en ambos lados y en el fondo piedra partida acomodada en seco. 0.024

11

Canal excavado en colina, con la ladera superior cubierta de raíces de sauces y la ladera inferior con muros de hormigón bien ejecutado. Fondo cubierto con grava gruesa.

0.026

12 Canal con fondo de guijarros, donde hay insuficiente sedimento en el agua, o

velocidad muy alta que impide la formación de un lecho liso y nivelado. 0.028

13 Canal de tierra excavado en suelo arcillo-arenoso aluvial, con depósitos de arena

en el fondo y crecimiento de pastos. 0.029

14 Canal en lecho de guijarros grandes. 0.030

15

Canal natural algo irregular en sus pendientes laterales; con fondo algo uniforme, limpio y regular; en arcilla arenoso gris claro a limo gredoso de color marrón claro; con poca variación en la sección transversal.

0.035

16 Canal en roca excavado con explosivos. 0.040

17 Zanja de arcilla y greda arenosa; pendiente lateral, fondo y secciones

transversales irregulares, pastos en los lados. 0.040

18

Canal dragado, pendientes laterales y fondo irregulares en arcilla negra plástica en la parte superior y en el fondo arcilla, los lados cubiertos con pequeños arbolitos y arbustos, variación pequeña y gradual en la sección transversal.

0.045

19

Canal dragado, con pendiente lateral y fondo muy irregular, en arcilla plástica de color obscuro, con crecimiento de pasto y musgo. Pequeñas variaciones en la forma de la sección transversal para la variación en tamaño.

0.050

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sección llena con árboles de gran tamaño, principalmente sauces y algodoneros. Sección transversal bastante uniforme.

21

Canal dragado en arcilla resbaladiza negra y greda arcillo-arenosa gris, lados y fondo irregular recubierto con crecimiento denso de arbustos de sauces, algunos en el fondo; el resto de las laderas cubierto con pastos y crecimiento espaciado de sauces y álamos sin follaje; algún depósito en el fondo.

0.080

22 Igual que (21) pero con mucho follaje. 0.110

23

Canales naturales en crecida en arena fina media a arcilla fina, sin pendientes laterales; fondo adecuadamente parejo y regular con ocasionales hoyas planas; variación en profundidad; maderas prácticamente vírgenes, muy poco crecimiento inferior excepto manchas densas ocasionales de ramaje y árboles pequeños, algunos troncos y árboles caídos muertos.

0.125

24

Rio natural en suelo de arcilla arenosa. Curso muy sinuoso, pendiente lateral irregular y fondo desparejo. Muchas raíces árboles y ramas, grandes troncos y otros residuos sobre el fondo. Hay árboles cayendo continuamente en el canal debido a la erosión de las márgenes.

0.150

4. COEFICIENTE K PARA LA FÓRMULA DE STRICKLER

5. Clase Naturaleza de las paredes K

A Tuberías . . bronce liso 77-111 . acero soldado 71-100 . acero remachado 59-77

. hierro fundido, revestido

71-100

. hierro fundido, no revestido 63-91

. hierro 67-83 . hierro galvanizado 59-77 . vidrio 77-111 . cemento alisado 77-100 . hormigón acabado 71-91 . hormigón no acabado 63-83 . gres 59-91 B Canales revestidos .

. concreto sobre excavación en roca 45-59

(5)

. muro seco 29-43

. asfalto 63-77

. fondo con grava y paredes de hormigón 40-59

C Canales no revestidos .

. en tierra con trazado regular 33-63

. en tierra, sinuosos y lentos, sin vegetación 33-43

. en tierra, sinuosos y lentos, con abundante vegetación 25-33

. en roca con forma regular 25-40

. en roca con forma irregular 20-29

. en tierra, en mal estado y con abundante vegetación 8-20

D Cursos de agua naturales .

. pequeños cursos de agua en zonas planas, limpios, rectos y sin

estancamientos de agua 30-40

. pequeños cursos de agua en zonas planas, limpios, sinuosos y con

estancamintos de agua 22-30

. tramos lentos, con vegetación (pastos) y estanques profundos 13-20

. tramos con mucha hierba, estanques profundos, notablemente

obstaculizados por árboles 7-13

. ríos de montaña, con fondo de grava media y gruesa y pocas rocas, paredes

laterales poco inclinadas 20-33

. ríos de montaña, con fondo de grava gruesa y rocas grandes, paredes

laterales poco inclinadas 14-25

E Áreas de expansión de cursos de agua

. con pasto 20-40

. con áreas cultivadas 20-50

. con arbustos 14-29

. con muchos árboles 8-13

F Ríos grandes (ancho de la superficie del agua mayor a 30 m)

. sección regular sin rocas o vegetación 17-40

(6)

6. N COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING.

D75 Diámetro 75. Valor para el cual el diámetro del 75% de las partículas son menores, en mm.

 Velocidades permisibles. Con el fin de disminuir el depósito de sedimentos y crecimiento

de vegetación, la velocidad mínima en canales sin revestir, será de 0.40 m/s.

 Las velocidades máximas permisibles en este tipo de canales, en caso de no haber sido

diseñadas por el método de la fuerza tractiva, serán las que se muestran en la tabla 2-5.

(7)

Área hidráulica adicional. Para prever la reducción del área hidráulica del canal por el depósito

de azolves y el crecimiento de vegetación, se deberá incrementar el área hidráulica en función

del gasto según la tabla 2-6.

B) CANALES REVESTIDOS

El revestir un canal así como el tipo de revestimiento empleado, tierra compactada, asfalto,

concreto, mampostería etc., deberá justificarse económicamente, ya sea por el volumen de

agua de filtración ahorrada, ahorro en volúmenes de excavación, o por economías que pueden

lograrse en los cargos por conservación o por una combinación de éstas.

- Estabilidad de la sección y dimensionamiento. Se deberá asegurar la estabilidad de los

taludes de la sección como se especifica en la sección tres, capítulo 2. Además, en el caso de

canales trapeciales revestidos de concreto, la inclinación de los taludes deberá facilitar el

colado del revestimiento.

En este caso se recomiendan taludes con inclinación entre 1.25:1 y 1.5:1.

Para el dimensionamiento de canales, deberá fijarse un ancho de plantilla mínimo que no

represente problemas constructivos. En estos casos, el tirante deberá ser ligeramente menor

que el ancho de la plantilla. En canales con gastos pequeños deberá buscarse que la sección

propuesta sea lo más cercano posible a la sección de máxima eficiencia en función del talud

determinado (ver tabla 2-7). Además de las consideraciones anteriores, se deberá realizar un

análisis económico en cuanto a volúmenes de excavación para las secciones propuestas.

(8)

VER FIGURA 2-3

- Coeficientes de fricción. El cálculo hidráulico se deberá realizar con los lineamientos

expuestos en el punto 2.4.2, con los coeficientes de rugosidad, n, que se muestran en la tabla

2-8.

(9)

- Velocidades permisibles. La velocidad en los canales revestidos no deberá ser menor de

60cm/s con el fin de evitar el desarrollo de vegetación y el depósito de sedimentos en el canal.

La velocidad máxima no deberá ser mayor del 80% de la velocidad crítica de la sección, ni de

los valores que se presentan en la tabla 2-9 para distintos materiales de revestimiento.

(10)

- Drenaje en canales revestidos. En canales revestidos donde el nivel de aguas freáticas pueda

estar a la altura de la cubeta del canal, se deberán colocar filtros de grava y arena, en una zanja

perimetral de 30 cm de ancho por 30 cm de profundidad. En este filtro se colocarán lloraderos

de tubo de 6.35 cm de diámetro en ambos lados de la plantilla y en ambos taludes. Este

sistema de drenaje se colocará espaciado a la misma distancia que las juntas transversales de

ranura hechas en el revestimiento, cuando éste es de concreto. En otros tipos de

revestimiento, el espaciamiento máximo será de 4.0m. Así mismo cuando sea necesario, se

colocará un dren longitudinal con tubo de concreto de 15 cm de diámetro, colocado bajo la

plantilla del canal.

Cuando el canal sea excavado en roca, se harán perforaciones en el revestimiento y en la

misma roca, con el diámetro antes mencionado y, con una profundidad de 90cm. la separación

máxima será de 4.0m.

- Bordo libre. Se deberá proteger la sección contra desbordamientos producidos por

fluctuaciones en el tirante.

Dicha protección en canales revestidos, constará de un bordo libre revestido y un sobrebordo, los

cuales se determinarán con la figura 2-4.

(11)

Para canales revestidos de concreto, los valores del bordo libre y sobrebordo podrán ser los

que se indican en la tabla 2-10.

El bordo libre en canales sin revestir, se obtendrá de la figura 2-4, correspondiente a la

curva B.L.

El bordo libre en canales rectos con régimen supercrítico se obtendrá con la siguiente

ecuación:

donde:

B.L. Bordo libre, en metros

v Velocidad del flujo, en m/s

d Tirante, en m.

En canales con curvas horizontales habrá que basarse en los resultados del diseño de

acuerdo con lo especificado en el punto C del inciso 2.4.5.1.

C) Alcantarillado y conductos cerrados

(12)

Deberá seleccionarse la sección de las tuberías de manera que su capacidad permita

que con el gasto de diseño, el agua escurra sin presión a tubo lleno y con un tirante

mínimo para gasto mínimo que permita arrastrar las partículas sólidas en suspensión.

Se empleará la fórmula de Manning para el diseño hidráulico de las tuberías. En la

tabla 2-11, se presentan coeficientes de rugosidad “n” para diferentes materiales.

En los casos en que la conducción sea un conducto cubierto construido en el lugar y no a base

de tubería, como túneles u otras estructuras similares, los coeficientes de fricción empleados y

el método de diseño serán los que se presentan en el inciso 2.4.3.

El bordo libre en canales sin revestir, se obtendrá de la figura 2-4, correspondiente a la curva

B.L.