CANALES
El diseño de canales para conducción de aguas de drenaje debe aprovechar al máximo la topografía del terreno con el fin de garantizar la conducción por gravedad, con un costo mínimo.
Cuando la diferencia de cotas entre los puntos inicial y final del canal es muy pequeña el diseño resulta en estructuras muy grandes con velocidades bajas y peligro de sedimentación.
De otro lado, diferencias muy grandes de nivel ocasionan el trazado de canales de gran pendiente, o requieren del diseño de estructuras de caída entre tramos de baja pendiente. Además, dependiendo de la topografía, del tipo de suelo y de las velocidades de flujo, los canales pueden ser excavados o revestidos.
Canales Excavados.
El diseño de los canales excavados está limitado por las velocidades de flujo, la carga de sedimentos y las filtraciones hacia terrenos adyacentes a través del fondo y las orillas. En terrenos erosionables los canales excavados terminan siendo similares a las corrientes naturales al cabo del tiempo, porque pierden su geometría inicial por causa de los procesos de degradación, socavación y ataque contra las márgenes.
Canales Revestidos.
Los canales revestidos permiten velocidades altas, disminuyen las filtraciones y requieren de secciones transversales más reducidas que los anteriores. Sin embargo, su costo y su duración dependen de la calidad del revestimiento y del manejo adecuado que se de a las aguas subsuperficiales. Los materiales de revestimiento pueden ser arcilla, suelo-cemento, ladrillo, losas de concreto simple o reforzado, piedra pegada, etc.
Dimensionamiento de los Canales
.
El dimensionamiento de los canales se hace mediante la aplicación de fórmulas convencionales de flujo a superficie libre, teniendo en cuenta los aumentos de caudal en la dirección aguas abajo, las pendientes de los tramos y los remansos que se generan con los
cambios de pendiente y con la localización de estructuras de caída, o de cruce con obras civiles, por ejemplo con vías o con otros canales.
Para la relación entre caudal y nivel en secciones dadas del canal se utiliza la ecuación de Manning, en la forma: n S AR Q 2 1 3 2 = Donde: Q: Es el caudal, en m3/s. A: Es el área de flujo, en m2
R: Representa el Radio Hidráulico, en m. S: Es la pendiente hidráulica del canal, en m/m.
n: Es el coeficiente de rugosidad, depende del revestimiento y del alineamiento del canal.
Las curvas de remanso que se generan por transiciones, cambios de pendiente o localización de estructuras, se calculan por medio del método directo de pasos, que es el más sencillo del flujo gradualmente variado.
Cuando las condiciones topográficas de la línea de trazado del canal no permiten el trazado de un canal de pendiente constante deberá trabajarse por tramos, los cuales empalman con el siguiente al mismo nivel o por medio de una caída.
Las estructuras de caída pueden ser rampas, escalones sencillos o gradas.
Las rampas son tramos de pendiente fuerte de corta longitud. Deben ser suficientemente fuertes para soportar velocidades altas y generalmente se prolongan hacia aguas arriba y abajo con obras de protección contra la socavación. Su capacidad para disipar energía hidráulica es muy baja.
Los escalones sencillos son caídas verticales que se colocan en el extremo inferior de canales de flujo subcrítico. El agua pasa por el escalón en caída libre hasta una placa de fondo que debe proteger la estructura contra la acción erosiva del chorro. Esta placa opera adicionalmente como disipador de energía.
Dependiendo de la magnitud de la velocidad de caída, la estructura puede ser de concreto o de piedra pegada, y en algunos casos de gaviones.
Una serie de escalones consecutivos constituye un sistema en gradas. Las dimensiones horizontales y verticales de las gradas deben seleccionarse de tal manera que estas puedan cimentarse dentro del terreno natural; además, el sistema debe permitir un flujo de agua controlado, con importante disipación de energía.
TIPOS DE CANALES
Los canales se pueden clasificar de varias formas, según se considere: visibilidad del agua, material, sección.
Tipo de Canales Según Visibilidad del Agua
Los canales pueden ser abiertos o cerrados, pero el agua tanto en unos como en otros siempre circula en continuo contacto con la atmósfera.
Son Canales Abiertos aquellos en los que la lámina de agua en contacto con la atmósfera se encuentra visible. Entre las características principales de estos canales podemos citar:
Tienen bajo coste de limpieza. Son rápidos de limpiar.
Necesitan un camino de servicio paralelo para limpieza.
Crean una barrera artificial que impide el acceso a distintas zonas.
Son necesarias obras singulares, como sifones, acueductos, para cruzar otros elementos lineales como carreteras, caminos, ríos, arroyos.
Son Canales Cerrados, aquellos en los que la lámina de agua en contacto con la atmósfera se encuentra sin visibilidad. Entre las características principales de estos canales podemos citar:
Tienen costes elevados de limpieza.
Las secciones mínimas vienen limitadas por motivos de limpieza. Tienen que construirse arquetas para realizar la limpieza.
Para el paso de otros elementos lineales no suelen ser necesarias obras singulares. No es necesario camino de servicio para limpieza de los mismos.
La mayor parte de estos canales son prefabricados. Tipo de Canales Según el Material
Canales de Tierra, sólo en canales abiertos. Tienen un bajo coste de construcción, pero un elevado coste de explotación y grandes pérdidas de agua. Hormigón en Masa y Hormigón Prefabricado tanto In Situ como Prefabricado, válido para canales abiertos.
Materiales Asfálticos, para canales abiertos.
Membranas Plásticas, como PVC, para canales abiertos.
Tuberías de Hormigón en Masa, Hormigón Armado PVC, Polietileno, Fibrocemento, Acero, Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio, para canales cerrados.
Tipo de Canales Según la Sección
Semicirculares, rectangulares, trapezoidales y parabólicas. Las secciones semicirculares y parabólicas se suelen utilizar en canales abiertos de hormigón en masa o armado prefabricado, mientras que las rectangulares y trapezoidales en canales abiertos de cualquier tipo de material.
Circulares, ovoides y herradura. Se utilizan en canales cerrados, aunque el uso de las rectangulares no está muy extendido.
No obstante la elección del tipo sección a emplear dependerá del tipo material que a su vez dependerá de la elección previa del canal según la visibilidad.
SECCIONES TIPO DE CANALES ABIERTOS
Régimen Crítico en Canales
El régimen crítico es aquel que separa el régimen lento del rápido en canales y es fundamental para el cálculo de algunos canales, ya que dependiendo del uso que se le vaya a dar al mismo este tendrá que diseñarse en régimen lento o rápido.
Los canales se deben dimensionar para alejarnos lo máximo posible del régimen crítico, porque si no se pueden provocar cambios de régimen muy frecuentes y por tanto el canal pierde parte de la funcionalidad para la que fue diseñado.
Canales de riego. Se deben diseñar en régimen lento. Normalmente la velocidad es V< 3,0 m/s.
Resaltos y entre rápidas en canales de riego. Se deben diseñar en régimen rápido. Canales hidroeléctricos. Se deben diseñar en régimen lento para obtener mayor energía.
Canales aliviaderos. Deben diseñarse en régimen rápido, pues así conseguimos evacuar antes y la mínima sección, con lo que abaratamos el coste.
MOVIMIENTO VARIADO EN CANALES (SINGULARIDADES)
Como ya es conocido, el movimiento permanente variado se caracteriza porque la sección hidráulica del canal y velocidad media del agua en el canal cambian de una sección de paso del agua a otra, pero el caudal se mantiene constante, por lo que se cumple la ecuación de la continuidad.
Este movimiento aparece en los canales cuando nos encontramos singularidades, ya que estas alteran el régimen permanente uniforme del canal.
Este régimen se produce en el tránsito de un régimen permanente uniforme aguas arriba de la singularidad a otras aguas abajo de la misma y repercute en ambos tramos una cierta longitud desde la singularidad que aparece reflejado en la forma de la curva que se produce en la línea piezométrica que en canales coincide con la línea del agua. También puede aparecer en aquellos momentos en los que las condiciones producen calados que no son los correspondientes al régimen uniforme, como por ejemplo el aumentar o disminuir el caudal de agua en la cabecera del canal.
No obstante, en este Máster sólo se pondrán algunos ejemplos que se producen en la realidad pero no nos adentraremos en el estudio hidráulico de los mismos, pues son algo más complejos que los problemas que aparecen en el régimen permanente uniforme.
A continuación se expondrán las singularidades más frecuentes que suelen aparecer en los canales y como se comporta la línea piezométrica en estos casos:
• Ensanchamiento de Sección de Paso del Agua
En este caso aparece una curva convexa descendente, tangente interiormente a la línea de calado normal, terminando en una depresión hidráulica en las proximidades del ensanchamiento.
• Estrechamiento de sección de paso del agua
Curva cóncava ascendente, tangente superiormente a la línea de calado normal y a una horizontal. Esta curva es el tipo más importante en la práctica y se produce en el caso de un estrechamiento de sección cuando la pendiente es suave, provocando un remanso.
• Desagüe de una compuerta y a pie de vertedero. Resaltos
Curva cóncava ascendente. Este tipo se produce cuando la corriente, en régimen rápido, penetra en un cauce de pendiente suave. En estos casos se da lugar a los fenómenos conocidos como resaltos.
• Cambio de pendiente fuerte a otra más fuerte
Curva descendente cóncava, en general relativamente corta. Suele ser una transición producida por una depresión o por cambio de una pendiente fuerte a otra más fuerte.
• Cambio de pendiente fuerte a otra pendiente menor, pero también fuerte Curva ascendente convexa, también del tipo de transición entre una corriente muy rápida y la línea de calado uniforme a la cual la curva es tangente interiormente. Sucede en un cambio de pendiente, siendo las dos fuertes o en la salida de una compuerta con pendiente fuerte.
Visita al Canal San Romualdo
Esta visita consistió en recorrer parte de dicho canal; observando la forma de su sección transversal, el caudal que lleva en un determinado lugar, los puentes y compuerta que este posee.
En este trabajo, se presenta los puentes observados con sus dimensiones importantes y también el caculo del caudal en dos secciones del canal.
Puente Km: 0 + 380
Largo: 8.50 m y Ancho: 2050 m
Calculo del Caudal.
Datos obtenidos:θ θ
Para hallar el caudal necesitamos el área hidráulica del la sección transversal del canal y la velocidad.
Para hallar el área, se debe calcular la plantilla “b” y el espejo de agua “T”. Previo al calculo de estos valores, de va a calcular “θ “, “a”, “c”.
Cálculo de “θ ”. Del grafico: 95 . 1 16 . 1 = θ sen ⇒
θ
=
3 6
º
3 0
'
1 2
.
5 8
"
Cálculo de “a”. Del grafico: a 16 . 1 tanθ = ⇒ a =1.57m Cálculo de “c”. Del grafico: c 45 . 0 tanθ= ⇒ c =0.61m Cálculo de “b”. a b=4.20−2 ⇒ b=4.20−2×1.57 ⇒ b=1.06m Cálculo de “T” c b T = +2 ⇒ T =1.06+2×0.61 ⇒ T =2.28mCálculo del Área hidráulica.
(
b T)
y A= + × 2 ⇒(
)
0.45 2 28 . 2 06 . 1 × + = A ⇒ A=0.75m2Datos para el cálculo de la velocidad (v): Tiempo = 29 seg. Distancia = 20m.
Tiempo cia Dis v= tan ⇒ 29 20 = v ⇒ v=0.69mseg
Cálculo del Caudal (Q). v
A
Q= × ⇒ Q=0.75m2×0.69mseg ⇒ Q=0.52m3seg
Largo: 5.51 m y Ancho: 1.53 m
Puente Km 0 + 623.5
Largo: 16.10 m y Ancho: 11.25 m Puente Km 0 + 640
Largo: 15.90 m y Ancho: 9.50 m Puente Km 0 + 938.45
Largo: 15 m y Ancho: 21.84 m
Calculo del Caudal.
Datos obtenidos:
θ θ
Para hallar el caudal necesitamos el área hidráulica del la sección transversal del canal y la velocidad.
Para hallar el área, se debe calcular la plantilla “b”, el espejo de agua “T” y el tirante “y”. Previo al calculo de estos valores, de va a calcular “θ “, “a”, “c”.
Cálculo de “θ ”.
θ Del grafico: 40 . 0 43 . 0 tanθ = ⇒
θ
=
4 7
º
0 4
'
1 2
.
1 1
"
Cálculo de “a”. Del grafico: 72 . 1 cosθ= a ⇒ a =1.17m Cálculo de “c”. Del grafico: 02 . 1 cosθ= c ⇒ c=0.69m Cálculo de “b”. a b=3.90−2 ⇒ b=3.90−2×1.17 ⇒ b=1.56m Cálculo de “T” c T =3.90−2 ⇒ T =3.90−2×0.69 ⇒ T =2.52m Cálculo de “y” 02 . 1 72 . 1 − = y senθ ⇒ y =0.51m Cálculo del Área hidráulica.(
b T)
y A= + × 2 ⇒(
)
0.51 2 52 . 2 56 . 1 × + = A ⇒ A=1.04m2Datos para el cálculo de la velocidad (v): Tiempo = 29 seg. Distancia = 20m.
Tiempo cia Dis v= tan ⇒ 29 20 = v ⇒ v=0.69mseg
Cálculo del Caudal (Q).
v A
Q= × ⇒ Q =1.04m2×0.69mseg ⇒ Q=0.72m3seg
