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Ing.Agr.Michel Koolhaas,M.Sc. Prof.Adj. de Topografía Tema : C A N A L E S julio 2011 1) Introducción. Los canales son las estructuras básicas para conducir el agua de riego hacia los puntos de entrega en las parcelas, lotes o chacras. Los canales pueden utilizarse también para la remoción de los ex...

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Ing.Agr.Michel Koolhaas,M.Sc. Prof.Adj. de Topografía Luis Gregorio Becerra Turrubiart es Canales para Riego y Drenaje (1) Jorge Real

Ing.Agr.Michel Koolhaas,M.Sc. Prof.Adj. de Topografía

Tema :

C A N A L E S julio 2011

1) Introducción. Los canales son las estructuras básicas para conducir el agua de riego hacia los puntos de entrega en las parcelas, lotes o chacras. Los canales pueden utilizarse también para la remoción de los excesos hídricos. En nuestro país tanto los canales de riego como los de drenaje, en general, son canales en tierra. Los canales en tierra pueden ser con un terraplén hacia el lado de abajo o “de una pierna”, con terraplenes a ambos lados o“dos piernas”, o excavados y a su vez pueden estar revestidos o no. En los sistemas de riego prediales en los últimos 60 años atrás en el Uruguay no se construyeron canales revestidos en hormigón, estos revestidos fueron hechos en la época inmediatamente después de la 2ª Guerra Mundial cuando el Estado impulsó Sistemas de Riego Multiprediales en base a Bombeos desde el Río Uruguay y alguna represa en el Dpto. de Lavalleja en Aguas Blancas. En los canales el agua fluye por la acción de la gravedad. La conducción del agua de riego por canales es la forma más económica de conducción del agua, en comparación con tuberías y especialmente si comparamos caudales transportados.-

Canal de ladera construido con arado de 4 discos y terminado con pala de cola de tres puntos, para un sistema de riego. También podría ser una terraza de drenaje no cultivable, para acortar la longitud de la ladera y disminuir las pérdidas de suelo en un sistema agrícola de siembra directa .

Los canales de terraplén a un lado, “de una pierna” o de ladera, son los más comunes en las estructuras de conducción del agua en tierras de laderas.

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Canal de ladera de bastante mayor capacidad del anterior, construido con retroexcavadora y en pendiente del terreno del orden del 2%. La vista no es en época de riego, atiende un área de hasta 700 hás de arroz Q ≈ 1,2 m 3/s.

Canal excavado construido con retroexcavadora, conecta el canal de ladera al ocurrir una parte más elevada del terreno y conviene en este ejemplo continuar el canal de ladera a lo largo del camino a la derecha.

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Canal de drenaje o terraza de base angosta no cultivable en una chacra de más de 10 años de cultivo en siembra directa con problemas de erosión moderada, recién construida con un gradiente de 0,0006 m/m.

Terraza inmediatamente aguas debajo de la anterior, unos años después luego de una lluvia con agua acumulada en la zona del desagüe natural, como estaba previsto en el diseño, para incrementar la acumulación hídrica, favorecer el desarrollo de vegetación y recuperar el campo.

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Cuando hay un flujo en un canal o una tubería, de tal modo que el agua tiene una superficie abierta a la atmósfera, se trata del flujo en un canal abierto. La principal diferencia entre el flujo confinado en las tuberías y el flujo en canales abiertos, es el hecho de que en los canales abiertos el área de la sección transversal no está predeterminada como en las tuberías, sino que es una variable que depende de muchos otros parámetros del flujo. Es por esta razón que los cálculos hidráulicos relacionados con el flujo en los canales abiertos, presentan los aspectos más complejos en toda la ciencia hidráulica. Sin embargo, su importancia práctica es ilimitada para la comprensión del comportamiento del agua en ríos, arroyos y canales Notoriamente, las tuberías y los canales abiertos tienen mucho en común, debido a que ambos conducen agua. No obstante, las principales diferencias entre el flujo en las tuberías y el flujo en los canales abiertos son las siguientes 1: Tuberías

Canales abiertos

A El flujo es causado por la presión, por tanto, tendrá lugar sin importar la alineación que tenga el conducto

A El flujo es causado por la gravedad; por consiguiente el canal debe tener pendiente hacia abajo.

B La sección transversal del conducto es constante a lo largo de la tubería y está definida por el diámetro.

B La sección transversal del canal puede variar a lo largo del recorrido del flujo.

C La presión de la tubería puede tener cualquier magnitud específicamente en cualquier punto alrededor del perímetro de la tubería.

C El perímetro de la sección transversal consta de dos partes: superficie libre y perímetro mojado, donde el agua está en contacto con los límites del canal. La presión en la superficie libre es siempre cero (presión atmosférica).

En los sistemas de riego puedo emplear canales propiamente de riego en los cuales la descarga de los mismos se puede considerar constante, es decir, la descarga no cambia no varia en el tiempo, en otras palabras el flujo es permanente. Pero también hay situaciones que emplearemos en el sistema de diseño del riego, canales de drenaje, como por ejemplo terrazas, que funcionan como un canal de drenaje de los excesos hídricos de escorrentía, y estos canales de drenaje tienen una descarga o flujo que varía en el tiempo y el flujo no es permanente.- Por lo tanto esencialmente un canal de riego no funciona teóricamente exactamente igual que un canal de drenaje, y es una diferencia conceptual que debemos tener en cuenta a la hora de realizar los diseños y manejar pendientes especialmente en las condiciones agropecuarias del Uruguay, con canales en tierra sin revestimientos. ¿ Que significa flujo permanente? Al describir el movimiento de los fluidos se puede usar el siguiente enfoque, se puede seguir el recorrido de la partícula fluida a través del 1

Simon,A.L. Practical Hydraulics (2ª Edition) Nueva York, John Wiley and Sons, Inc. 1981.Curso de Posgrado Profesional “Estructuras Hidráulicas para Riego”

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espacio definiendo la situación y tiempo de llegada a cada punto. Velocidad quiere decir cambio de posición de una partícula de agua dentro del fluido durante un cierto intervalo de tiempo. En la figura de abajo tenemos

una partícula x1 en el tiempo t1 , si la misma partícula se encuentra más tarde en la posición x2 y en un tiempo t2, entonces la velocidad de la partícula será x 2-x1 / t2-t1 .Al tomar intervalos de tiempo más cortos, y más aún al ∆t ser extremadamente pequeño la trayectoria de las partículas se vuelve una línea tangente a la trayectoria en el punto x1. En este caso se trata de un vector de velocidad en el punto x 1, donde la magnitud del vector de velocidad significa la rapidez de la partícula que se mueve. Ahora bien, si la sucesión de partículas de agua que pasa por x 1 tiene vectores idénticos de velocidad, se dice que se trata de un flujo permanente. Ahora bien resumiremos algunas definiciones, un flujo en canal abierto es el flujo en cualquier conducción en la cual el agua circula con una superficie libre, tal como en ríos, arroyos, cañadas y canales de riego. Las alcantarillas o caños de hormigón o de otro material a través de caminos o vías de circulación, las obras de toma en represas, se comportan como canales abiertos siempre y cuando el flujo hídrico no llene completamente su sección. Flujo permanente es aquel en el cual no varía la tasa de descarga en el devenir del tiempo en una sección dada, en otras palabras, la tasa de caudal o flujo se mantiene constante en una sección determinada. El caudal en un río, arroyo, tiende a ser permanente excepto en períodos de crecientes o sea en períodos de escurrimientos directos en la cuenca en ocasión de lluvias. Con la suposición de flujo permanente, el problema que se origina con el principio B enunciado más arriba es manejable. Según la ley de conservación de masa, la siguiente ecuación ha de ser válida a lo largo de la longitud total del canal: Q = v1 x A1 = v2 x A2 = v3 x A3 =……Vn x An

(1)

En esta ecuación la descarga Q es constante, v es la velocidad media, A es la sección transversal del flujo de agua, y los subíndices 1,2,3, ….n se refieren a posiciones arbitrarias a lo largo del recorrido del flujo. Ejemplo 1. La velocidad en la sección transversal 1 de un canal es de 1,4 m/s y el área de la sección en ese lugar es de 2,8 m 2. Un poco más aguas debajo de esta

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sección,en la sección 2, el área perpendicular al flujo es de 4,2 m 2. ¿ Cuál será la reducción correspondiente en la velocidad y cuál la descarga en el canal? De acuerdo con la ecuación de la continuidad (1) el gasto o caudal de este canal es de Q = 1,4 m/s x 2,8 m2 = 3,92 m3/s Como el área en la sección 2 es de 4,2 m 2, por la misma ecuación de la continuidad la velocidad v2 = Q/ A2 ⇒ v2 = 3,92 m3/s / 4,2 m2 = 0,93 m/s El principio C enunciado arriba, permite analizar como canales abiertos una serie de tipos de conductos de flujo, como los cursos naturales ríos, arroyos, cañadas, canales artificiales como los canales de riego, de drenaje y las alcantarillas. Sin embargo este último conducto, las alcantarillas constituyen un caso especial. Las alcantarillas se diseñan comúnmente para flujo por gravedad, cuando están llenas la superficie libre del flujo es sólo una línea a lo largo del tope de la tubería, cuando la presión en el tope de la tubería sobrepasa la presión atmosférica, ya no es posible aplicar los conceptos de flujo en canales abiertos En la práctica se encuentra que cuando una descarga Q fluye a través de un área A de una sección transversal de un canal, es diferente la velocidad del flujo de las partículas en cada punto del área. Generalmente, las velocidades más altas se encuentran en la porción central de la sección, mientras que en los bordes, la velocidad puede ser casi cero.

En estos casos es conveniente definir la velocidad media como V

media

=Q/A

(2)

donde A se considera perpendicular a la dirección del flujo

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El radio hidráulico R es un término que se usa en canales abiertos, que se define como la relación entre la sección hidráulica o sección de flujo A y el perímetro mojado, o sea R = A/P

Es evidente que R no es un radio en el sentido geométrico, sino que es un parámetro que indica la transmisibilidad relativa de ciertas formas y áreas de sección. Para la misma área de sección A, un canal ancho y poco profundo generará mayores fuerzas de resistencia que otro donde la profundidad sea aproximadamente la misma que el ancho; por tanto el primero tendrá un R menor al segundo y menor capacidad de conducción de descarga. Para cada forma de canal, rectangular, trapezoidal, parabólico es posible hallar la condición geométrica para el cual el radio hidráulico se optimice. El radio hidráulico óptimo significa que se puede acarrear un volumen determinado a una velocidad dada con la menor área de sección. Esto tiene gran importancia en canales con revestimiento de hormigón o de acero u otros materiales de alto costo, donde es necesaria la optimización de la sección para disminuir costos, pero no es un procedimiento a seguir en canales de tierra sujetos a erosión y sedimentación. El principio A introducido al principio, establece que la energía motriz en los canales abiertos es la energía gravitacional. Si dos puntos de un determinado canal están separados por una distancia L y las diferencias de elevación entre esos puntos es de H, se tiene que cuando el agua fluye de un punto al otro adquiere una energía potencial igual a H. El término S = H / L es una cantidad sin dimensión, el gradiente hidráulico, que expresa la pendiente del fondo del canal. En los casos comunes en la naturaleza, la pendiente del fondo de una corriente de agua varía de acuerdo con las condiciones topográficas y geológicas. Además la descarga tanto de los canales naturales como los artificiales, rara vez es permanente, o sea se alternan las avenidas o crecientes y los períodos de bajos flujos. Por lo tanto, para diferentes descargas, la sección transversal será diferente y junto con ella cambiarán la profundidad del flujo, el radio hidráulico y todas las otras propiedades geométricas. Entonces es importante reconocer que existe una variedad importante de maneras como el agua puede fluir por un canal. Por ejemplo, bajo condiciones especiales una manera sería en la que no haya aceleración ni desaceleración, siendo esta condición única cuando la velocidad del flujo es constante a lo largo del canal, se denomina flujo normal o flujo uniforme.

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Fondo del canal, línea de gradiente de energía, y superficie del agua en canales abiertos con un gasto permanente; flujo acelerado, flujo normal y flujo desacelerado

El flujo normal o flujo uniforme se da en un canal de riego que está funcionando a régimen, es decir luego del llenado del mismo en toda su extensión y con una entrada Q1 (descarga de una compuerta o bomba) y salida a la chacra Q 2 , donde Q1=Q2. En condiciones de drenaje, por ejemplo en el canal de una terraza, donde el agua escurre en ocasión de lluvias más o menos intensas en la chacra que son captadas por el canal de drenaje, el flujo hídrico en la mayor parte del tiempo en la terraza es acelerado. El supuesto o el empleo de fórmulas de flujo uniforme es una modelización para lograr simplificar un diseño hidráulico, pero la realidad es diferente. 2 ) FLUJO UNIFORME

Generalidades. En razón de las dificultades de cálculo asociadas con el análisis del flujo en canales abiertos, los ingenieros al tratar de desarrollar métodos simples para los cálculos de descarga, han desarrollado fórmulas para el caso en que la línea de energía se asume paralela a la pendiente del fondo del canal. En éste caso simplificado, la energía adquirida por el agua en cualquier punto, es exactamente igual a la energía perdida por fricción. Como no existe ni aceleración ni desaceleración, la profundidad de agua ( d ), así como la energía cinética ( v 2 / 2g ) permanece constante. Esto indica a su vez que la pendiente Se de la línea del

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gradiente de energía, ha de ser igual a la pendiente S del fondo del canal. Es decir, que para el flujo uniforme la pérdida de carga entre dos secciones distantes una distancia L , es igual a la diferencia de cotas entre esas secciones.

O sea , que se asume para dicho flujo uniforme, Se = (Z 2 – Z1) / L , donde Z1 y Z2 son, respectivamente las cotas aguas arriba y aguas abajo respectivamente, del fondo del canal y L es la distancia entre las secciones consideradas . Fórmula para Flujo Uniforme La fórmula más utilizada en la técnica para el flujo uniforme, es la fórmula de Manning (1889)2, donde V (m/s) = 1 / n x R 2/3 x S ½ (3) donde V velocidad promedio (m/s) , n coeficiente de rugosidad de las paredes del flujo (adimensional), R (m) es el radio hidráulico de la sección de flujo hídrico y S es la pendiente de la línea de energía ( m/m ). El radio hidráulico R, se expresa por la relación entre la sección y el perímetro mojado. En realidad, R no representa radio alguno, sino que más bien es un parámetro geométrico, que indica la eficiencia de la sección transversal en la conducción del agua. La sección A es un contribuyente positivo y el perímetro P es uno negativo al movimiento del agua, ya que mientras esté presente una mayor cantidad de la superficie del fondo para crear resistencia a la fricción, más se retardará el flujo. Por el contrario, mientras mayor sea el área de flujo en comparación con P , con mayor facilidad se moverá el agua. Una pauta para el diseño de canales, en relación con lo que se acaba de discutir, es manejar relaciones ancho de fondo (b) con relación al tirante de agua(d) ⇒ 2≤ b/d ≤ 4. Otra pauta empírica para canales en tierra encespados es la fórmula del USBR 3 ⇒ d = 0,5 x A ½ donde d es la altura de agua y A es igual a la sección mojada del canal. El coeficiente n (coeficiente de Manning) es un coeficiente de rugosidad de las paredes del canal, Un punto interesante a remarcar, es que, cualquiera sea el sistema de unidades utilizado, métrico(SI) o inglés, los mismos valores se utilizan en ambos sistemas de unidades, pero a los efectos prácticos, consideremos éstos como adimensionales. Otro aspecto a tener en cuenta acerca de n , es que además de no ser un coeficiente sin dimensiones ni una constante independiente, los estudios han demostrado que n depende también de la velocidad, la profundidad y pendiente del canal. La figura de abajo muestra la dependencia obtenida por el análisis de datos de campo.

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Ven Te Chow, 1959, “Open Channel Hidraulics” International Student Edition McGraw-Hill Book Co.673 p.

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US Bureau of Reclamation

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Cuadro tomado de Simon,A.L. Practical Hydraulics (2ª Ed.) Nueva York, John Wiley and Sons.Inc. 1981.-

Tabla 3.- Valores del coeficiente de rugosidad n para la fórmula de Manning.Buenas Regulares Malas Tubo hierro sin revestir 0.012 0.014 0.015 Tubo hierro revestido 0.011 0.012 0.013 Tubo Hierro galvanizado 0.011 0.012 0.013 Tubo de latón, aluminio o de cobre 0.009 0.011 0.013 Caño Hormigón 0.012 0.013 0.015 Canal revestido hormigón 0.012 0.014 0.016 Piedra rejuntada con Cemento 0.017 0.020 0.025 Portland Canales tierra rectos 0.017 0.025 0.030 Canales en tierra con curvas 0.030 0.035 0.040 Canales en roca 0.025 0.030 0.035 Canales con vegetación taludes 0.025 0.035 0.040 Arroyos rectilíneo,uniforme 0.025 0.028 0.035 Arroyo idem, con vegetación y 0.030 0.035 0.040 piedras

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Type of Channel Manning’s n Tomado del software “Flow-Pro2” Natural channels Artificially lined channels Clean and straight 0.030 Sluggish with deep pools 0.040 Major rivers 0.035 Floodplains Pasture, farmland Light brush 0.050 Heavy brush 0.075 Trees 0.150

0.035

Excavated earth channels Clean 0.022 Gravelly 0.025 Weedy 0.030 Stony, cobbles 0.035

Glass 0.010 Brass 0.011 Steel, smooth 0.012 Steel, painted 0.014 Steel, riveted 0.015 Cast iron 0.013 Concrete, finished Concrete, unfinished Planed wood 0.012 Clay tile 0.014 Brickwork 0.015 Asphalt 0.016 Corrugated metal 0.022 Rubble masonry 0.025

0.012 0.014

Source: Chow, V.T., Open Channel Hydraulics, McGraw-Hill, New York, 1959.

Por tanto, el caudal de descarga de un canal en flujo uniforme se calcula mediante la expresión Q = A x 1 / n x R 2/3 x S ½ (4) donde Q ( m3/s), A (m²), R(m) ,S (m/m).

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