DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN”

Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural”

DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL

DE LLAMADA

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DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

1. INTRODUCCIÓN

Los canales de llamada son estructuras para la captación de agua de escorrentía, los cuales se excavan de manera transversal a una ladera natural, con diversas dimensiones para alimentar a un jagüey u olla de agua. Es decir, en obras de captación que carecen de una cuenca aportadora bien definida o suficiente para abastecer las demandas de agua.

Estas estructuras, tienen por objeto conducir los escurrimientos superficiales de las laderas naturales a fin de incrementar la capacidad de almacenamiento de un depósito. Tiene la ventaja adicional de servir como brecha cortafuego y disminuir los efectos de la erosión hídrica.

2. OBJETIVO

El presente documento tiene como objetivo fijar criterios técnicos, que sirvan como guía de diseño de canales de llamada, así como establecer los requisitos mínimos de seguridad que deben cubrirse para su correcto funcionamiento.

3. HIDROLOGÍA

Con la información de intensidades de lluvia y los datos topográficos del terreno, se determina la capacidad del canal para conducir adecuadamente el gasto máximo de diseño. Éste canal deberá ser capaz de encauzar la

escorrentía máxima, aportada por ladera receptora, que pueda ocurrir en un tiempo determinado (Figura 1).

Figura 1. Diagrama de ubicación del canal de llamada.

El volumen de agua que deberá recibir un canal de llamada depende de diversos factores:

 La máxima intensidad de lluvia que pueda ocurrir en un periodo y tiempo determinados.

 Características de la zona vertiente, tales como la pendiente, la cubierta vegetal existente en el área, el suelo y sus características de textura e infiltración, entre otras.

 Extensión de la ladera, variable que está directamente asociada al área aportadora de escorrentía superficial al canal.

Para la determinación del gasto máximo de diseño del canal, se recomienda emplear el método racional.

Zona Estable Zona

erosionada Canal de desviación

Quebrada Area de L

Impluvio

Zona de evacuación del canal

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

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3.1 CÁLCULO DEL GASTO MÁXIMO POR EL MÉTODO RACIONAL

Este método asume que el máximo porcentaje de escurrimiento de una cuenca pequeña ocurre cuando la totalidad de tal cuenca está contribuyendo al escurrimiento, y que el citado porcentaje de escurrimiento es igual a un porcentaje de la intensidad de lluvia promedio;

lo anterior se expresa mediante la siguiente expresión:

Donde:

= gasto máximo, m³/s.

C = coeficiente de escurrimiento, adimensional (Anexo 1).

I = intensidad máxima de lluvia para un período de retorno dado, mm/h.

= área de la cuenca, ha.

360 = factor de ajuste de unidades.

Es el gasto máximo posible que puede producirse con una lluvia de intensidad en una cuenca de área y coeficiente de escurrimiento C que expresa la fracción de la lluvia que escurre en forma directa.

Período de retorno (T)

Período de retorno es uno de los parámetros más significativos a ser tomado en cuenta en el

momento de dimensionar una obra hidráulica destinada a soportar avenidas.

El período de retorno se define como el intervalo de recurrencia (T), al lapso promedio en años entre la ocurrencia de un evento igual o mayor a una magnitud dada.

Debido a la gran variabilidad que sufren las precipitaciones de un año a otro, se recomienda dimensionar éste tipo de obras para un periodo de retorno de 10 años.

Intensidad máxima de lluvia (I)

Las curvas intensidad-duración-frecuencia (IDF) son básicas en todo análisis hidrológico para la estimación de avenidas máximas por métodos empíricos e hidrológicos (Figura 2). En la actualidad ya se cuenta con las curvas IDF de todo el país editadas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), y se encuentran disponibles en su portal de internet¹.

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

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

1 10 100 1000

1 10 100 1000 10000

INTENSIDAD (mm/h)

DURACIÓN DE LA LLUVIA (minutos)

2 T 5 T 10 T 25 T 50 T 100 T 500 T

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Para poder hacer uso de las curvas IDF es necesario conocer el tiempo de concentración de la lluvia. Este tiempo se define como el intervalo que pasa desde el final de la lluvia neta hasta el final de la escorrentía directa. Representa el tiempo que tarda en llegar, al aforo, la última gota de lluvia que cae en el extremo más alejado de la cuenca y que circula por escorrentía directa. Por lo tanto, el tiempo de concentración sería el tiempo de equilibrio o duración necesaria para que con una intensidad de escorrentía constante se alcance el caudal máximo.

El tiempo de concentración se calcula mediante la ecuación:

Donde:

= tiempo de concentración, h

Lc = longitud del cauce principal de la cuenca, m v = velocidad media del agua en el cauce

principal, m/s

Otra manera de estimar el tiempo de concentración es mediante la fórmula de Kirpich:

Donde:

= tiempo de concentración, h.

Hc = Desnivel en m, desde la salida hasta el punto más lejano en m.

Lc = longitud del cauce principal, m.

4. GENERALIDADES

4.1 CONCEPTOS BÁSICOS

Velocidad mínima. El diseño de canales, recubiertos o no, que conducen agua con material fino en suspensión, debe considerar que la velocidad media del flujo, para el caudal mínimo de operación, sea mayor o igual que la necesaria para evitar la sedimentación del material transportado.

Velocidad máxima. La velocidad máxima de operación en canales, con o sin recubrimiento de superficie dura, que conducen agua limpia o material en suspensión debe limitarse para evitar el socavación o erosión continua del fondo y paredes por turbulencia, abrasión o eventualmente cavitación.

Taludes. Se refiere a la inclinación que poseen las paredes laterales del canal y las cuales se expresan en forma de proporción. La forma más usada en canales es la trapecial, con taludes que dependen del terreno en el cual el canal será excavado (Cuadro 2).

Borde libre (e). Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. En la práctica, en tanto no se tengan valores específicos, es recomendable usar: e=1/3 d para secciones sin revestimiento y

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e = 1/6 d para secciones revestidas; donde d es el tirante del canal en metros. Pero siempre manteniendo un bordo libre mínimo de 10 cm.

Sección hidráulica óptima. La capacidad de conducción de un canal aumenta con el radio hidráulico y varía inversamente con el perímetro mojado. Desde el punto de vista hidráulico, para un área dada, la sección más eficiente es aquella que tiene el mínimo perímetro. Sin embargo, la relación ancho basal/ profundidad quedará determinada por un estudio técnico-económico.

4.2 TIPOS DE CANALES 4.2.1 Canales revestidos

El revestimiento de un canal satisface uno o varios de los objetivos que a continuación se mencionan:

a) Permitir la conducción del agua, a costos adecuados y velocidades mayores, en áreas de excavación profunda o difícil corte.

b) Disminuir la filtración y fugas de agua a través del cuerpo del canal y evitar el anegamiento u obras de drenaje costosas en terrenos adyacentes.

c) Reducir y homogeneizar la rugosidad, con ello las dimensiones de la sección y los volúmenes de excavación.

d) Asegurar la estabilidad de la sección hidráulica y proteger los taludes del intemperismo y de la acción del agua de lluvia.

e) Evitar el crecimiento de vegetación y reducir la destrucción de los bordos por el paso de animales.

f) Reducir los costos anuales de operación y mantenimiento.

De acuerdo con lo anterior, un buen revestimiento debe ser impermeable, resistente a la erosión, de bajo costo de construcción y mantenimiento, y durable a la acción de agentes atmosféricos, plantas y animales.

En rigor, hasta los canales revestidos de concreto pueden ser erosionados por el flujo si se rebasa su resistencia a la erosión o se producen otros fenómenos más complejos como son la cavitación, que puede dislocar e incluso destruir el revestimiento. Sin embargo, los revestimientos de concreto amplían el intervalo de resistencia a la erosión y proporcionan un mejor desempeño hidráulico.

Tipos de revestimiento

Los revestimientos en un canal se construyen de varios tipos de material. El llamado de superficie dura puede ser a base de concreto simple, reforzado o lanzado a alta presión, de concreto asfáltico, de mampostería (piedra, ladrillo, bloques prefabricados, etc). En general, dichos materiales satisfacen todos los propósitos antes expuestos y ofrecen gran resistencia a la acción erosiva del agua. Otros revestimientos son a base de materiales granulares, como arcilla, tierra compactada o grava, que ofrecen menor resistencia a la erosión, pero superpuestos o no, sobre una membrana impermeable, disminuyen de modo importante las pérdidas de agua por infiltración.

Velocidad Mínima. En general, para evitar el depósito de materiales en suspensión se

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recomienda diseñar un canal revestido con una velocidad mínima aceptable del orden de 0.4 a 1.0 m/s.

Velocidades Máximas. En revestimientos no armados, para evitar que los revestimientos se levanten por sub-presión, se recomiendan velocidades menores de 2.5 m/s. Si el revestimiento cuenta con armadura la velocidad deberá limitarse en función de la erosión probable.

4.2.2 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 conformada la sección, la compactación de su plantilla y taludes.

Velocidad Máxima. Para éste tipo de canales, es básico determinar la sección con la cual es posible conducir el gasto de diseño, sin erosión del lecho, a una velocidad igual a la máxima permisible. Esta velocidad es incierta ya que los lechos en uso soportan, sin erosión, velocidades mayores a los recién construidos.

5. DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

Especificaciones técnicas de diseño del canal Un canal de desviación o llamada adecuado, según el terreno, debe conducir el gasto máximo a una velocidad máxima que no socave la estructura del canal. Obtenida la escorrentía máxima y la velocidad máxima permitidas, se determina el área mínima que deberá poseer la sección hidráulica, a partir de la cual, el canal podrá cumplir con las características de diseño señaladas.

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Máxima Velocidad del agua

La máxima velocidad del agua, depende de la naturaleza del material, en el cual se construye el canal (Cuadro 1).

Cuadro 1. Velocidades máximas permitidas en canales.

Material Velocidad media (m/s)

Suelo Arenoso muy suelto 0.30 - 0.45

Arena gruesa o suelo arenoso suelto 0.45 - 0.60

Suelo arenoso promedio 0.60 - 0.75

Suelo franco arenoso 0.75 - 0.83

Suelo franco de aluvión o ceniza

volcánica 0.83 - 0.9

Suelo franco pesado o franco arcilloso 0.90- 1.2

Suelo arcilloso 1.20 - 1.50

Conglomerado, cascajo cementado, pizarra blanda, hard pan, roca sedimentaria blanda

1.80 - 2.40

Roca dura o Mampostería 3.00 - 4.50

Concreto 4.50 – 6.00

Área mínima de diseño

El diseño de un canal de llamada, requiere de una serie de iteraciones, a partir de una sección transversal del canal, la cual, como mínimo, debiera tener una superficie igual o mayor a la calculada según la Ecuación:

Donde:

Vmax: Máxima velocidad permitida, m/s.

Qmax: Escorrentía crítica o gasto máximo de diseño, m³/s.

5.1 DISEÑO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL Una vez conocidas las especificaciones de gasto máximo, máxima velocidad permitida y área mínima, se deberá realizar una serie de iteraciones, de sucesivas secciones transversales, a fin de encontrar aquella sección que sea capaz de trasladar de manera segura el caudal para el cual se diseña.

Se debe considerar, para una misma sección transversal, aquélla capaz de trasladar un mayor caudal, es decir, la que posea el mayor radio hidráulico (proporción entre el área transversal Ac y el perímetro mojado).

Para este fin se propone la metodología que se describe a continuación:

a) Selección de área, para la primera iteración, se recomienda utilizar un área igual o superior al área mínima de diseño.

b) Determinación de parámetros de la sección transversal base y taludes, según las condiciones del terreno.

c) Cálculo de los parámetros de tirante del canal (d), longitud de la superficie libre del agua (S.L.A), taludes (Z), longitud de taludes inferior y superior (Linf y Lsup) y radio hidráulico (r) (Figura 3).

d) Asignación de la pendiente del canal (según las condiciones del terreno) y determinación de un coeficiente de rugosidad n (Cuadro 3).

e) Cálculo del caudal y velocidad de transporte del canal.

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Figura 3 Sección transversal de un canal.

f) Si el canal no satisface las especificaciones técnicas, se procede a un nuevo diseño, según las opciones:

g) Modificación de la pendiente y luego se realiza nuevamente la prueba de control.

h) Modificación de la sección transversal (se recomienda un aumento de un orden del 5- 10% respecto a la última iteración), volviendo a la secuencia a partir del punto b de esta sección.

Aprobadas las condicionantes técnicas, el perfil de canal podrá ser implementado en terreno.

Cálculo de los componentes de la sección transversal

Los datos de entrada para el diseño del canal, son los siguientes:

Ac = Área de sección transversal del canal (Superior al área mínima).

b = base del canal.

Zinf = Talud inferior.

Zsup = Talud superior.

Área (Ac): Área de diseño; se recomienda utilizar como primera iteración el área mínima de diseño (Amín) o una levemente superior, y aumentar en cada iteración entre un 5 – 10 %, hasta encontrar el diseño adecuado.

Base (b): Valor predefinido, normalmente igual a 0.2 m.

Talud inferior y superior: Es importante en la determinación de los taludes del canal, que éstos sean adecuados para cada tipo de suelo o revestimiento, de modo que el canal no se erosione (Zinf. – Zsup.), teniendo cuidado de manera especial en obras de conservación desarrolladas en suelos de texturas livianas (arenosas), las cuales deben tener taludes mayores.

Los taludes recomendados para la sección trapecial de un canal se muestran en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Taludes recomendados para la sección trapecial de un canal para diferentes tipos de suelo.

Material Talud (Z)

Roca completamente sana Vertical

Roca ligeramente alterada 0.25:1

Mampostería 0.40:1

Tepetate duro, roca alterada 1.00:1

Concreto 1:1 o 1.25:1

Tierra algo arcillosa, tepetate blando, arenisca

blanda, etc. 1.5:1

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

Con la siguiente fórmula se hace la determinación de la altura de la sección transversal de un canal (d).

b:base

d: Tirante del canal

Talud superior Z :1

Perimetro mojado Talud inferior Z

:1 Longitud infer

ior: Linf

Longitud superio r: Lsup S.L.A=Superficie libre del agua

Area transversal del canal

e=Libre bordo

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√ ( ) ( )

(5) Una vez calculada la altura se procede al cálculo de las siguientes componentes de la sección transversal del canal:

Cálculo de la longitud de la superficie libre del agua de la sección transversal del canal de llamada (L.S.L.A):

( ) ( )

Cálculo de longitud de Talud inferior (^Linf):

√ ( ) Cálculo de longitud de taludes superiores (L_sup):

√ ( ) Cálculo del radio hidráulico (r) para una sección

trapezoidal:

( ) Opcionalmente, para comprobar si los cálculos de los parámetros de la sección transversal fueron correctos, se recomienda calcular el área

de la sección transversal con la ecuación 10, que debiera ser igual al área de diseño Ac.

Cálculo de área de la sección transversal

Donde:

Ac = área de la sección del canal, m². b = plantilla del canal, m.

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

d = tirante del canal, m.

5.2 CAPACIDADES DEL CANAL DISEÑADO Una vez diseñada la sección transversal del canal, es asignada una pendiente para el canal, y se determina el coeficiente de rugosidad del canal que corresponde a las condiciones de terreno (Cuadro 3).

Cuadro 3. Valores de n para fórmulas de Manning (Arteaga, 2002).

Material Mínimo Normal Máximo

Roca (con salientes y sinuosas) 0.035 0.04 0.05 Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.04 Tierra (alineado y uniforme) 0.017 0.02 0.025 Tierra (construido con draga) 0.025 0.028 0.033

Mampostería seca 0.025 0.03 0.033

Mampostería con cemento 0.017 0.02 0.025

Concreto 0.013 0.017 0.02

Asbesto cemento 0.09 0.01 0.011

Polietileno o PVC 0.007 0.008 0.009

Fierro fundido 0.011 0.014 0.016

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Material Mínimo Normal Máximo

Acero remachado en espiral 0.013 0.015 0.017

Con estos valores se calcula la velocidad y el caudal que transportará el canal por medio de las ecuaciones de Manning descritas a continuación:

Donde:

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

Qc = Caudal del canal, m³/s.

n = coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional.

r = radio hidráulico (área transversal del canal, m²; Ecuación 9).

s = pendiente del canal, adimensional Ac = Área del canal, m² (Amín = 3).

5.3 PRUEBA DE CONTROL DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CANAL.

Obtenidos los valores del caudal y velocidad se verifica si el diseño del canal se encuentra realizado en concordancia con las especificaciones técnicas. De no ser así, se deberá realizar un nuevo diseño (modificando la pendiente y/o la sección transversal), que deberá

someterse nuevamente a verificación, y así sucesivamente hasta encontrar el diseño adecuado.

Cálculo de la velocidad de una canal según Manning:

Condicionantes Técnicas

De esta forma el diseño de un canal deberá cumplir con las siguientes especificaciones:

 Área del canal, sea mayor o igual que el área mínima (A mín = Qmáx/Vmáx en donde Qmáx = gasto máximo; y Vmáx: Velocidad máxima permitida):

Gasto máximo (Qmáx), sea menor que el caudal

Qc determinado para el canal diseñado:

 La velocidad del flujo del canal, sea menor que la velocidad máxima permitida según las características del canal diseñado (Vmáx):

5.4 EJEMPLO DE DISEÑO

En base a lo que se describió, en los apartados anteriores, se procede a hacer los cálculos para el diseño de un canal y se presentan como ejemplo los resultados con datos obtenidos de un levantamiento topográfico, teniendo la

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longitud total del cauce (Lc) del cual se desviará el agua, el desnivel (Hc) y longitud del canal de desviación.

Además, es necesario contar con la superficie (ha) de todo el terreno cuyas aguas vayan a verterse sobre el canal; dicho dato se puede obtener a través de la delimitación del área y de un modelo digital de elevación.

1) Cálculo del gasto de diseño o gasto crítico.

Cálculo de intensidad de precipitación, mediante la fórmula de Kirpich.

(Tc) Tiempo de concentración (min) 17.29

Coeficiente de duración 0.52

Periodo de Retorno (años) 10

Precipitación (Pt) (mm) 26.42

Intensidad (I = mm/hr) 91.71

Gasto de diseño o crítico (m³/seg) 1.88

2) Diseño hidráulico y dimensionamiento del canal.

Para este ejemplo se tiene un material de suelo franco arcilloso y la velocidad mínima de acuerdo al Cuadro 1, tiene una velocidad media de 0.9 m/s, con lo que da:

Área mínima de diseño (m²) 2.088

Se propone la base, la altura, el talud superior e inferior de acuerdo a los taludes recomendados en el Cuadro 2 para tierra algo arcillosa, con el fin de obtener la superficie libre del agua, ángulo y longitud de los taludes superior e inferior respectivamente:

Longitud canal de

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

600 0.70 0.80 3.10

Talud superior (aguas arriba)

1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

1.50 56.31 1.442

Talud Inferior (aguas abajo)

1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

1.50 56.31 1.000

Posteriormente se calcula:

Área Sección Transversal (m²) 1.52

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

Radio Hidráulico (m) 0.484

Se deduce la pendiente con la siguiente fórmula:

[ ]

n (canal propuesto; valor según tabla) 0.023 Pendiente del canal (en decimal) 0.001

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

REQUERIMIENTOS TÉCNICOS CARACTERÍSTICA CANAL

DISEÑADO CONTROL COMPROBACIÓN DE

CONDICIONANTES TÉCNICAS Área Mínima (Q/V)

Q (esc. crítico): V (vel. Max. Permitida) 2.09 Área de diseño 1.53 REDISEÑO Área Mínima

> Área de Diseño 2.088

Q (esc. crítico)

Caudal mínimo del canal 1.88 Q caudal estimado 1.35 REDISEÑO Escorrentía Crítica

> Q caudal estimado (Mínima)

Máxima Velocidad permitida 0.90 V : Velocidad

estimada 0.88 ACEPTADO Máxima Velocidad

(Vmax) > V:velocidad estimada

6. TRAZO

En virtud que los canales de llamada se trazan transversalmente a la pendiente dominante de la ladera, la cimentación del terraplén debe banquearse como se muestra en la Figura 4.

La distancia AB varía de 4 a 5 veces el tirante para suelos de grava de primera clase con arcilla suficiente para asegurar cohesión, y de 8 a 10 veces para suelos más ligeros o arcillosos.

En cualquier caso, el terraplén debe ser suficientemente grande para prevenir fugas excesivas y tubificación, o bien, tener un corazón impermeable o un revestimiento. En el cálculo del libre bordo del canal debe preverse el asentamiento que va a sufrir el terraplén.

Sobre las laderas, el trazo del canal debe seguir en lo posible las curvas de nivel del terreno, con pendientes longitudinales que varíen entre 0.001 y 0.002. De este modo, las curvas horizontales, para cambiar la dirección del canal, afectan las cantidades de corte y relleno. Por otra parte, los contornos resultantes de las curvas de nivel, en terrenos accidentados, pueden ser demasiado irregulares para ser seguidos por un canal de

tamaño apreciable. En éste último caso, laprofundidad del corte debe variar, pero buscando la compensación entre los tramos de corte en exceso con los de relleno en déficit. Esto implica que debe analizarse la curva masa para mantener las distancias de acarreo en márgenes económicamente viables.

Figura 4. Corte y relleno en ladera.

Es necesario considerar las condiciones geológicas del terreno, ya que influyen en forma decisiva sobre la ubicación del canal y la determinación de sus secciones transversales.

Por ellos se deben explorarse las formaciones geológicas, disposiciones de los estratos, fallas, calidad de la roca (grado de fisuramiento, permeabilidad, resistencia, tendencia al intemperismo, etc.) en cortes y rellenos, tomando en cuenta su profundidad o altura, la

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cimentación de los muros del canal y del relleno, así como la extensión y calidad del revestimiento.

7. METODOLOGÍA PARA EL TRAZO DE UN CANAL CON CIVIL CAD

Cuando se trata de trazar un canal de llamada es necesario recolectar la información que pueda conjugarse para su buen trazo:

a) Fotografías aéreas para localizar el área de estudio.

b) Planos topográficos y catastrales.

c) Estudios geológicos, suelos y vegetación.

Una vez obtenida la información cartográfica necesaria, en escala 1:50,000 o menor, se procede en gabinete a identificar un trazo preliminar, el que se replantea en campo y se le hacen los ajustes necesarios para identificar el trazo definitivo.

En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve por donde pasará el canal, procediendo con los siguientes pasos:

d) Reconocimiento del terreno

Se recorre la zona anotando todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, estableciendo el punto inicial y punto final.

e) Trazo preliminar

Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento

con equipo topográfico. Posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales.

Estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m; si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección, máximo cada 20 m.

f) Trazo definitivo

Con los datos del trazo preliminar se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea.

La metodología que se explica a continuación, es para datos obtenidos de un levantamiento topográfico de parcelamiento con coordenadas (x,y,z), además de auxiliarse con los softwares AutoCad y CivilCad, para obtener volúmenes con una sección de canal tipo trapezoidal.

Es importante destacar que habrá algunos pasos que no se detallarán, ya que se exponen en el Instructivo de “Topografía para Obras COUSSA”.

Primero se debe definir la pendiente de diseño, las características geométricas y las propiedades hidráulicas del canal.

Importar puntos

Con el CivilCad se establece estilo y tamaño de letra para proceder a importar las coordenadas del levantamiento; en seguida se identifican los puntos correspondientes a las parcelas y se unen éstos con polilíneas para obtener los polígonos del parcelamiento (Figura 5).

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Figura 5. Unión de puntos.

Triangulación

Esto hace posible poder dibujar los puntos de proyecto con coordenadas XYZ y producir la triangulación y curvas de nivel de proyecto (Figura 6).

Figura 6. Triangulación.

Curvas de nivel

Obtener las curvas de nivel a cada 20 m, anotando las elevaciones en las curvas (Figura 7).

Figura 7. Curvas de nivel.

Ubicación del canal

Trazar con una polilínea por dónde va a estar la ubicación del canal; es importante tomar en cuenta la pendiente del terreno en base a las curvas de nivel (Figura 8).

Figura 8. Ubicación del canal.

Cadenamiento

Para obtener la longitud del canal es necesario cadenar, por lo que hay que marcar estaciones en el eje de proyecto, ya sea a intervalos regulares, puntos seleccionados o por distancia a la estación inicial (Figura 9).

Perfil del canal

Generar el perfil del terreno especificando escala horizontal y vertical (Figura 10).

TRAZO DE CANAL

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Figura 9. Cadenamiento del canal.

Figura 10. Perfil del canal.

Pendiente del perfil

Anotar pendiente en segmentos de perfil en forma automática o manual, usando las siguientes instrucciones: CivilCad, Altimetría, Perfiles, Anotar, Pendiente (Figura 11).

Seleccionar el perfil, indicar Manual (M), elegir primer punto (estación 0+000) y segundo punto que corresponde a la longitud total del canal (Figura 12).

Generar perfil de proyecto con la pendiente que se calcula, es decir, por cada kilómetro que se avanza debe de bajar cierto desnivel y así hasta obtener el total que se debe bajar en la longitud total del canal (Figura 13).

Figura 11. Secuencia para generar pendiente del perfil.

Figura 12. Pendiente del perfil.

Figura 13. Desnivel para generar perfil de proyecto.

Ubicar la polilínea con el desnivel en el perfil generado. Dicha polilínea será llamada perfil del

CADENAMIENTO

DATOS DE ESTACIÓN ESCALA

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL TERRENO PENDIENTE

ESCALA DATOS DE ESTACIÓN

PUNTO 1

DESNIVEL

PUNTO 2

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proyecto, que no se debe de colocar en el misma elevación donde inicia el perfil del terreno (km 0+000). Hay que tomar en cuenta los datos de libre bordo y tirante del canal, (por ejemplo bl o l.s.l.a =0.30m y d=0.80m), para el ejemplo práctico, y obtener cortes y rellenos; una tercera parte irá enterrada (1.10/3=0.37m), y se generará una polilínea vertical (0.37m), tal como se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Ubicación del perfil del proyecto con respecto al perfil de terreno.

Al verificar el perfil del terreno, respecto al de proyecto, nos indica mayor volumen de relleno que de excavación, por lo que se recomienda, en el perfil del proyecto, caídas hidráulicas, según lo requiera la topografía (Figura 15).

Figura 15. Volumen de relleno excesivo en la ubicación del perfil del proyecto con respecto al de terreno.

Una vez identificadas las caídas, dibujar con polilínea el nuevo perfil del proyecto (Figura 16).

Convertir la polyline que se dibujó con caídas a perfil de proyecto.

El perfil de proyecto define la elevación de las rasantes o subrasantes de proyecto. El programa calcula la elevación inicial y final de rasantes del perfil si ya están definidas o condicionadas, en caso contrario utiliza como referencia la elevación inicial y final del perfil de terreno; se llevan a cabo las siguientes instrucciones:

CivilCad, Altimetría, Perfiles, Proyecto, Convertir (Figura 17).

Seleccionar perfil del proyecto y perfil de terreno.

Copiar únicamente perfil de terreno del proyecto, en otro apartado, para generar la retícula y obtener los datos necesarios para generar el volumen de cortes y rellenos.

Retícula

Civil Cad, Altimetría, Perfiles, Retícula (Figura 18).

Al activar la secuencia de retícula, muestra la caja de diálogo, donde se selecciona: Terreno y proyecto, aceptar (Figura 19).

PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

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Figura 16. Perfil del proyecto con caídas.

Figura 17. Secuencia para convertir perfil con caídas a perfil del proyecto.

Figura 18. Secuencia para generar retícula en perfil.

Figura 19. Caja de diálogo para retícula en perfiles.

COPIA PERFIL DEL PROYECTO

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL PROYECTO CON CAÍDA

PERFIL DEL PROYECTO

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Seleccionar perfil del terreno y del proyecto (Figura 20).

Figura 20. Selección de perfiles para generar retícula.

El programa de CivilCad genera el perfil con retícula en el que muestra terraplén, corte, subrasante y terreno (Figura 21).

Figura 21. Perfil con retícula, terraplén, corte, subrasante y terreno.

Secciones

Para generar las secciones, se debe tener puntos suficientes por donde pasa el trazo del canal, por lo que es recomendable unir e insertar puntos, para generar todas las secciones. Para dicha unión usamos: CivilCad, Puntos, Terreno, Unir (Figura 22).

Figura 22. Secuencia para unir puntos.

El CivilCad pide que si considerar elevación: Si (S) e indicar el punto inicial (Figura 23).

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Figura 23. Unión de puntos considerando elevación.

Mostrar el siguiente punto, y así sucesivamente;

ello va generando una serie de polilíneas sobre las cuales se insertarán los puntos, usando:

CivilCad, Puntos, Terreno, Insertar (Figuras 24, 25 y 26).

Al momento de ir insertando los puntos se pueden enumerar.

En este caso no se enumerarán los puntos por lo que se marca No (N).

Se introducen los puntos encima de las polilíneas generadas en el paso anterior (Figura 27).

Para verificar que se haya generado el punto, se le da zoom y para conocer las coordenadas del punto generado, se le da click en properties y se despliega un cuadro que indica la posición del punto (Figura 28).

Figura 24. Secuencia para insertar puntos.

Figura 25. Inserción de puntos.

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Figura 26. Serie de polilíneas con puntos insertados.

Figura 27. Inserción de puntos del eje de la planta del perfil sobre la intersección de las polilíneas generadas.

Figura 28. Coordenadas de punto insertado.

Una vez que se tienen los suficientes datos, se procede a generar las secciones transversales, seleccionando el eje del proyecto, creando todas las secciones e indicando los datos correspondientes en la caja de diálogo (Figura 29).

Figura 29. Sección transversal generada.

Cortes y rellenos

Para obtener cortes y rellenos, es necesario dibujar la sección tipo con sus características geométricas (Figura 30).

Figura 30. Características geométricas del canal para obtener volumetría.

Verificar en la sección la elevación del terreno natural con respecto a la elevación del perfil en

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la subrasante. Por ejemplo en el km 0+000, si se tiene una elevación en la sección de 1765.12 menos la que nos marca el perfil de 1764.93 es igual a 0.19.

Entonces en la sección 0+000 hacer un offset (desfase) de 0.19 y ubicar la sección tipo.

Figura 31. Offset con respecto a la elevación del terreno natural con el perfil de la subrasante.

Eliminar el desfase generado, ya que solo sirve para guiarse y colocar la sección tipo del canal.

Convertir la sección tipo de canal a sección de proyecto, a través de: CivilCad, Secciones, Proyecto, Convertir (Figura 32).

Seleccionar sección de proyecto y de terreno (Figura 33).

La sección se convierte a proyecto. Lo que sigue es anotar (CivilCad, Secciones, Anotar) datos en secciones de proyecto en forma manual o automática (Figura 34).

Figura 32. Secuencia para convertir sección tipo a proyecto.

Figura 33. Selección de sección de proyecto y de terreno.

SECCIÓN TIPO DEL CANAL

SECCIÓN DEL TERRENO

OFFSET DE 0.19

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Figura 34. Secuencia para anotar datos en secciones.

Al activar esta rutina, aparece la siguiente caja de diálogo, en la que se indicarán los datos que se requieran y que aparezcan en cada una de las secciones (Figura 35).

Figura 35 Caja de diálogo para anotar datos en secciones.

Los datos que pueden anotarse manual o automáticamente son: pendiente, talud, offset, rasante, elevación de terreno natural y área.

Se puede especificar un rango de valores para considerar la pendiente como talud, indicando la relación horizontal/vertical. Los prefijos que se anteponen a los datos anotados pueden modificarse en la caja de diálogo correspondiente.

Seleccionar la sección del canal y sección de terreno; en seguida aparecerá la sección con los datos seleccionados en la caja de diálogo de secciones (Figura 36).

Figura 36. Sección con volumetría.

El procedimiento para obtener área de terraplén y área de corte, se hace para cada una de las secciones.

En una hoja de EXCEL, se suman las áreas de cada sección y se obtiene el volumen total de terraplén y corte, como se muestra en el siguiente ejemplo:

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Estación Área de

terraplén A1+A2 d/2 Volumen Volumen acumulado

0+000 1.61 10 0

0+020 2.04 3.65 10 36.5 36.5

0+040 2.62 4.66 10 46.6 83.1

Estación Área de

corte A1+A2 d/2 Volumen Volumen acumulado

0+000 0.21 10 0

0+020 0.05 0.26 10 2.6 2.6

0+040 0.00 0.05 10 0.5 3.1

8. BIBLIOGRAFÍA

ArqCOM. 2011. Ayuda de usuario para CivilCad y AutoCad.

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

Departamento de Irrigación, UACh, México.

DGOP. 2002. Manual de carreteras, Instrucciones y criterios de diseño, Volumen 3. Dirección General de Obras Públicas, Dirección de Vialidad, Ministerio de obras públicas, Chile.

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

México.

ELABORARON:

Dr. Mario R. Martínez Menes Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso Ing. Ma. Clara Elena Mendoza González Ing. Rodiberto Salas Martínez

Ing. Hilario Ramírez Cruz

Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la

Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA www.coussa.mx

Dr. Mario R. Martínez Menes [email protected]

Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso [email protected]

Teléfono: (01) 595 95 5 49 92

Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México.

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ANEXO 1.

De acuerdo a la norma oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000 conservación del recurso agua, el coeficiente de escurrimiento se determina a partir de los siguientes procedimientos:

 Transferencia de información hidrométrica y climatológica de cuencas vecinas, hidrológicamente homogéneas.

 En la cuenca vecina se determinan los coeficientes de escurrimientos anuales (Ce), mediante la relación de volumen escurrido anualmente (Ve), entre el volumen de precipitación anual (Vp) correspondiente.

 Con los valores del volumen de precipitación anual y el coeficiente de escurrimiento anual, obtenidos en la cuenca vecina, se establece una correlación gráfica o su ecuación matemática.

 Con apoyo de la ecuación matemática o en la gráfica -y al utilizar los valores del volumen de precipitación anual de la cuenca en estudio- se estiman los correspondientes coeficientes anuales de escurrimiento.

 En función del tipo y uso de suelo y del volumen de precipitación anual, de la cuenca en estudio.

 A falta de información específica, con apoyo a los servicios del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) y de visitas de campo, se clasifican los suelos de la cuenca en estudio, en tres diferentes tipos: A (suelos permeables); B (suelos medianamente permeables); y C (suelos casi impermeables), que se especifican en el Cuadro 1. Y al tomar en cuenta el uso actual del suelo, se obtiene el valor del parámetro K.

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

TIPO DE SUELO CARACTERÍSTICAS

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

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

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

USO DEL SUELO TIPO DE SUELO

A B C

Barbecho, áreas incultas y desnudas Cultivos:

En hilera

Legumbres o rotación de praderas Granos pequeños

Pastizales:

% del suelo cubierto o pastoreo Más del 75% poco

Del 50 al 75% regular Menos del 50% excesivo Bosque:

Cubierto más del 75%

Cubierto del 50 al 75%

Cubierto del 25 al 50%

Cubierto menos del 25%

Zonas urbanas Caminos

Praderas permanentes

0.26 0.24 0.24 0.24

0.14 0.20 0.24 0.07 0.12 0.17 0.22 0.26 0.27 0.18

0.28 0.27 0.27 0.27

0.20 0.24 0.28 0.16 0.22 0.26 0.28 0.29 0.30 0.24

0.30 0.30 0.30 0.30

0.28 0.30 0.30 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.33 0.30

 Si en la cuenca de estudio existen diferentes tipos y usos de suelo, el valor de K se calcula como la resultante de subdividir la cuenca en zonas homogéneas y obtener el promedio ponderado de todas ellas.

 Una vez obtenido el valor de K, el coeficiente de escurrimiento anual (Ce), se calcula mediante las formulas siguientes:

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

Si K resulta menor o igual a 0.15

Si K es mayor que 0.15

P = precipitación anual, en mm.

El rango donde las fórmulas se consideran validas es para valores de precipitación anual entre 350 y 2150 mm.

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La transpiración está incluida en el coeficiente de escurrimiento.

 En aquellos casos en que se cuente con estudios hidrológicos y se conozcan los coeficientes de escurrimiento, éstos se podrán usar para el cálculo del escurrimiento.

 Información requerida:

 Procedimiento de cálculo y metodología para determinar la precipitación media anual en la cuenca.

 Procedimiento de estimación y consideraciones para determinar el coeficiente de escurrimiento.

 Relación de las estaciones climatológicas utilizadas para determinar los escurrimientos, indicando sus coordenadas geográficas, así como las entidades federativas a las que pertenecen, poblaciones próximas importantes y cualquier otra información de utilidad que permita hacer más claro el cálculo del volumen anual de escurrimiento natural.

En el caso de que en la cuenca en estudio no cuente con suficiente información hidrométrica ni pluviométrica, o ambas sean escasas, el volumen medio anual de escurrimiento natural se determina indirectamente transfiriendo la información de otras cuencas vecinas de la región, mismas que se consideran homogéneas y que cuentan con suficiente información hidrométrica o pluviométrica; para ello se requiere la siguiente información:

 Nombre y área la de cuenca hidrológica o subcuenta en estudio.

 Ubicación de la cuenca hidrológica en cartas hidrográficas, indicando su localización con respecto a la región o subregión hidrológica y entidades federativas a las que pertenece.

 Nombre de las estaciones hidrométricas y su ubicación sobre el cauce principal.

 Volúmenes de extracción de la cuenca hidrológica en estudio y sus diversos usos.

 Notas aclaratorias necesarias.

 Información pluviométrica e hidrométrica de por lo menos 20 años de registro.

 Descripción del método aplicado, así como la justificación de su empleo en esa cuenca, subcuenca o punto específico.

 Relación de las variables significativas de la cuenca, empleadas en el coeficiente de escurrimiento.

 Resultados de las pruebas de homogeneidad hidrológica, climatológica, y fisiográfica de las cuencas vecinas y/o registros empleados en la trasferencia de información.