Cap 1.3-FU-Diseño de canales PDF

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Manual con tablas de diseño de canales con diversos autores...

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Unid 1 -Diseño de Canales

1.3

DISEÑO DE CANALES

Un canal se clasifica como una Estructura de Conducción y sirve a diferentes proyectos como: Riego, Centrales Hidroeléctricas, Abastecimiento de agua potable, Drenaje y otros que requieran conducir el agua de aun lugar a otro.

1.3.1 Clasificación de canales de Riego Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: 





Canal de Primer Orden ó Canal Madre ó de Derivación Canal que se abastece de la toma de agua (Bocatoma, pozo de bombeo) y conduce el caudal total del sistema. Se le traza siempre con pendiente mínima. Canal de Segundo Orden ó Laterales Son aquellos que se derivan 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 ó Sub – Laterales 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.

1.3.2 Material del canal Los canales pueden ser revestidos o no revestidos.

Canal no revestido El canal se traza en el terreno natural: tierra, roca u otro material.

Canal revestido El revestimiento tiene por finalidad proteger al canal de la fuerza erosiva de la corriente, evitar excesivas pérdidas por filtración, disminuir la rugosidad logrando una mayor velocidad permisible con lo cual se reduce la sección transversal. El espesor del revestimiento puede variar de 2 a 4 pulgadas (5 cm. 10cm) como puede verse en la Figura 1.10, para canales rectangulares el espesor es mayor que para canales trapezoidales desde un mínimo de 10 cm, hasta un máximo de 20cm.

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Fig 1.10 Revestimiento de Canales

La construcción de canales revestidos se realiza usando diferentes materiales como mampostería de piedra, concreto, madera, ladrillo, planchas de fierro, etc., el costo es un porcentaje importante del costo total del canal y su elección de efectúa tomando en cuenta: función del canal, materiales de construcción y los medios técnicos disponibles en cada zona, para finalmente efectuar una evaluación técnico-económica.

1.3.3 Trazo de canales Se requiere la siguiente información básica: • • •

Fotografías aéreas, imágenes satelitales, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. Planos topográficos y catastrales. Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.

Se realiza un trazo preliminar en gabinete, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal. El trazo en Planta (Fig 1.11) contará con los siguientes elementos: • • •

Trazo de canal en Planta con línea de eje del canal y Puntos de Inflexión con radios y ángulos correspondientes. Escala de Plano Planta Cuadro con Elementos de curva

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Fig 1.11 - Elementos de Plano de Canal

Pendiente y Rasante del canal Una vez definido el trazo en Planta del canal, se procede a dibujar el Perfil Longitudinal, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10. Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:  Las cotas de captación y entrega del agua y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte.  La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua.  Para definir la rasante del fondo es importante comprobar si la velocidad y secciones obtenidas, es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal (velocidad máxima, velocidad mínima, secciones de máxima eficiencia y de mínima Infiltración) Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 ó 0.2/1000 son usuales en la costa del Perú.

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Perfil Longitudinal El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información:

0.02

PENDIENTE

0+080

    

805.990

807.396

0+060 807.6 806.390

807.590 807.190

COTA DE RASANTE

807.935

808.163 808.073

COTA DE TERRENO

806.790

0+000 0+020

PROGRESIVA (Km)

0+040

Ampliación de Datos de Perfil Longitudinal de la Fig 1.11

0.004

 

I II Franco arenoso

SECCION TIPO TIPO DE SUELO

Kilometraje (Progresiva) Cota de terreno Cota de rasante Pendiente de rasante Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte



Se complementará la información con: Secciones Transversales Típicas Cuadro con Características Hidráulicas Escala H y V

El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar empleando el software AUTOCAD CIVIL 3D (AUTOCAD clásico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL).

1.3.4

Características Hidráulicas y Geométricas

B1

β

T

m

1

B2

W

H

B.L

y

z

1

θ

b Fig 1.12 Elementos Geométricos de la Sección Transversal de un Conducto S. Santos H.

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Las características hidráulicas y geométricas están dadas por el tipo de sección transversal e hidráulica del fluido: Tipo

Q (m3/s)

S

n

z

b (m)

y A (m) (m2)

V (m/s)

P (m)

R (m)

BL (m)

H (m)

W (m)

F

I II Tipo: tipo de canal a describir Q: S: n: b: y: A: V: P: R: BL: H: W: z: F:

caudal de diseño pendiente del fondo del canal coeficiente de rugosidad de Manning. ancho de solera ó ancho de plantilla., ancho de la base de un canal profundidad del agua o tirante área de la sección transversal velocidad del agua perímetro mojado radio hidráulico borde libre (H – y) altura total del canal. ancho total del canal talud lateral número de Froude

B1:

Banqueta, corona, incluye vía de mantenimiento del canal. Ancho Mínimo 1.20m (buguis), 4m (autos), ssegún la importancia del canal. En algunos casos la banqueta puede ir en ambos márgenes. Berma del camino, puede ser: 0,5, 0,75, 1,00 m.

B2: m: θ: β:

talud de dique de relleno, los valores de diseño varían entre 1.5 y 2; de acuerdo a la contextura del relleno. ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal ángulo de fricción interna del terreno de corte

A A: Área hidráulica P: perímetro mojado Rh: radio hidráulico y : Profundidad media

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R  h

A P

y

A T

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Tabla 1.3 Ángulos de fricción interno y Pesos Específicos de suelos (Valores medios) Clase de terreno β  S (Ton/m3)

Tierra de terraplén seca Tierra de terraplén húmeda Tierra de terraplén empapada Arena seca Arena húmeda Arena empapada Arcilla seca Arcilla húmeda Gravilla seca Gravilla húmeda Grava de cantos húmedos Grava de cantos rodados

37° 45° 30° 33° 40° 25° 45° 22° 37° 25° 45° 30°

1.40 1.60 1.80 1.60 1.80 2.00 1.60 2.00 1.83 1.86 1.80 1.80

1.3.5 Criterios de Diseño Hidráulico de Canales Par diseñar la sección transversal de un canal, se debe tener en cuenta los factores geométricos e hidráulicos de la sección, topografía existente, geología y geotecnia de la zona, materiales disponibles (canteras o mercados más cercanos), costo de materiales, beneficiarios, climatología y altitud para la elección de los materiales. Si se tienen en cuenta estos factores podremos llegar a una solución técnica y económica más conveniente.

Caudal Se puede usar cualquiera de las ecuaciones de Flujo Uniforme que se ha estudiado, para canales artificiales haremos uso de la ecuación de Manning:

Q

S. Santos H.

AR

2

3

n

S

(en SI)

Ec 1.17

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Tabla 1.4

Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes

Fuente: ANA; Manual: Criterios de Diseños de Obras Hidráulicas para la Formulación de Proyectos Hidráulicos (2010)

Talud Lateral (z) Depende del material de construcción y el tipo de suelo del canal. Tabla 1.5 Taludes apropiados para distintos tipos de material

Para canales revestidos, la USBR (United States Bureau of Reclamation) recomienda un talud estándar de 1.5:1, sin embargo, el talud práctico en estos casos es 0.8:1 a 1:1 S. Santos H.

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Borde Libre: B L 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 forma práctica se diseña un borde libre del canal igual a un 5 a 30% del tirante. BL = (0.05 – 0.3)y

Ec 1.18

Según la USBR, recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula 𝐵𝐿 = 0.5521√𝐶𝑦 Ec 2.3 BL: y: C:

Borde libre en metros Tirante del canal en m. constante

C Q 3 1.5 < 0.56 m /s 2.5 Hasta 84.95 m3/s Tabla 1.6 Borde Libre

Borde libre en función del caudal

Borde libre en función de la plantilla del canal

Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Dpto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981

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1.3.6

Diseño de Canales por SME y SMI

Sección de Máxima Eficiencia Hidráulica (SME) Cuando se diseña un canal se debe de tomar en cuenta que tenga el mínimo volumen de excavación posible. Una sección de Máxima Eficiencia Hidráulica es aquel que para un área dada tiene el menor Perímetro mojado por lo tanto si se diseña un canal con una sección de máxima eficiencia hidráulica se va a tener la seguridad de tener la mínima excavación posible. Analizando la ecuación de Manning:

AR

Q

2

S

3

n

y manteniendo la pendiente de fondo y rugosidad constantes, se observa que a mayor Rh habrá mayor transporte de flujo (Q). A Rh = : aumenta cuando para una determinada área, disminuye el perímetro mojado P → a menor P, mayor Q

Sección Trapezoidal de Máxima Eficiencia La SME trapezoidal hidráulica es por la que pasa un Qmax para un Pmín, 

P 0 y

Fig 1.13 1

y

z θ

b 2  2( 1 z  z ) … Ec 1.19 y

b

Relación entre el Rh y el Tirante:

Rh 

y Ec 1.20 2

canal rectangular

  90º  z  0 ,

b  2( 1)  y

b  2y

sección trapezoidal con   60º

  60º

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

z

3 3

2  3  b   2 1  3 3   y 3  

b

2 3 y 3

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Sección de Mínima Infiltración (SMI) Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal. Sección de Mínima Infiltración: b  4( 1  z 2  z ) Ec 1.21 y

Diseño de Canales por SME y SMI b 2  Pr om ( 1 z  z) Ec 1.22 y Tabla 1.7- Relación plantilla vs tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y

el promedio de ambas.

Fuente: ANA; Manual: Criterios de Diseños de Obras Hidráulicas para la Formulación de Proyectos Hidráulicos (2010)

Tener en cuenta las condiciones locales que a veces imponen un diseño propio del canal.

1.3.7 Velocidades Máximas y Mínimas Un canal que no tiene revestimiento es Estable cuando no presenta sedimentación ni erosión. Mediante el cálculo de la Velocidad mínima o “velocidad que no sedimenta” se previene la posibilidad de sedimentación y mediante el cálculo de la Velocidad máxima ó no erosiva se previene la erosión del canal.

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Velocidad mínima (Vmin) Las partículas sólidas que son transportadas por el flujo se decantan (sedimentan) debido a una velocidad baja, según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: Tabla 1.8 Velocidades de Sedimentación Velocidad de Material Sedimentación

arcilla arena fina arena gruesa

0.081 m/s 0.16 m/s 0.216 m/s

Fig 1.14 Crecimiento de algas en canal debido a baja velocidad del flujo

Se entiende por velocidad límite o velocidad mínima a la velocidad que debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal y aquella que no permita el crecimiento de plantas acuáticas. En la práctica se toman valores de velocidad mayores que 0.6 m/s

Velocidad máxima y Fuerza Tractiva Crítica Es aquella velocidad que no causará erosión del cuerpo del canal, un valor más alto de velocidad podría producir movimiento de las partículas del lecho y lados del canal. Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa en la dirección del flujo sobre el lecho del canal y es conocida como Esfuerzo Cortante ó Fuerza Tractiva. El valor medio de la Fuerza Tractiva unitaria  es igual a:

 o   W hSe

Ec 1.23

o :

Fuerza Tractiva unitaria [N/m2, Kgf /m2, lbf/pie2]

γw :

Peso específico del agua [N/m3, Kgf /m3, lbf/pie3]

h:

Profundidad del agua en el canal [m, pies]

Se :

Pendiente de energía, si es flujo uniforme Se= So

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Inicio de Movimiento de una partícula Analicemos una partícula en el lecho del canal:

E h

Fa

So

W

Fa: Fuerza de arrastre E: Empuje W: peso del sedimento de diámetro “ds”

Fa  o .A  o .d s2

Fuerza Desestabilizadora

W  E   s .d s3   w .d s3   s   w d s3

Fuerza Estabilizadora

𝜏∗=𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐷𝑒𝑠𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎

𝜏∗ =

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝐸𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎

𝜏∗ =

 o .d s2

 s   w d 3s

𝜏∗: Parámetro de Shields (adimensional)

 o.

 s   w 𝑑𝑠

Ec 1.24

τ*> 1→ τo > τ*: , hay movimiento de las partículas (produce arrastre de sedimentos) τ*< 1→ τo < τ*: , no hay movimiento de las partículas (no produce arrastre de sedimentos)

τ* =1→ τo =τ crf: partícula está en el umbral del movimiento El esfuerzo cortante crítico de fondo (crf) se halla por medio del Diagrama de Shields.

𝑅𝑒∗ =

𝑈∗ 𝑑𝑠



𝐸𝑐 1.25

Re*: Reynolds granular

U* : ds: ν:

τ*: τo: ρ:

𝑈∗ = √

𝜏𝑜 𝜌

Ec 1.26

velocidad de corte (m/s) diámetro del sedimento (m) viscosidad cinemática del agua (m2/s) Esfuerzo cortante adimensional Esfuerzo cortante de fondo (N/m2, Kgf /m2) densidad del agua (Kg /m3)

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Fig 1.15 Diagrama de Shields para inicio de movimiento (American Society of Civil Engineers, 1975)

El esfuerzo cortante crítico de fondo ( crf), también se puede aproximar mediante las ecuaciones de Zanke, si el diámetro medio de la partícula es conocido.

  w    s  w

1

 g  3 D   2  ds   *

D*: : γs:

Ec 1.27

  

Ec 1.28

Parámetro adimensional de la partícula densidad relativa de la partícula peso específico del sedimento

γs ≈ 2650 kgf/m3, valor promedio a usar cuando no se tenga dato exacto, para este caso =1.65

D* 6:

 *  0.109 D *

6  D *  10 : *  0.14 D *

0 .5

0 ..64

10  D *  20 :  *  0.04 D*

 0 ..10

20  D  150 :  *  0.013 D

* 0 ..29

*

 crf  *  s   w  d

D*  150 :  *  0.055

crf: tensión cortante crítico de fondo (N/m2, Kgf /m2)

S. Santos H.

Ec 1.29

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Fig 1.16 Falla de puente debido a alta velocidad del flujo entre los pilares Tabla 1.9 Máxima velocidad permisible correspondiente a valores de fuerza tractiva unitaria (para canales rectos y nuevos) Agua con limos Agua limpia coloidales Material n V (m/s ) V (m/s ) τ (N/m2) τ (N /m2) Arena fina, coloidal 0.020 0.457 1.295 0.762 3.597 Franco arenosos, no 0.020 0.533 1.774 0.762 3.597 coloidal Tierra firme común 0.020 0.762 3.597 1.07 7.193 Arcilla dura, muy 0.025 1.14 12.469 1.52 22.06 coloidal Grava fina 0.020 0.762 3.597 1.52 15.346 Tierra negra graduada a 0.030 1.14 18.223 1.52 31.651 cantos rodados cuando no es coloidal Limos graduados a cantos rodados, no 0.030 1.22 20.621 1.68 38.365 coloidal Grava gruesa no 0.025 1.22 14.387 1.83 32.131 coloidal cantos rodados y ripio 0.035 1.52 43.64 1.68 52.752 Fuente: Fortier y Scobey

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Tabla 1.10 Velocidad Máxima de Erosión Variación de Velocidad Máxima Revestimiento (m/s)

Arena suelta muy ligera Suelo arenoso Suelo arenoso grueso Tierra vegetal, suelo aluvial Tierra vegetal arcillosa Suelo arcilloso duro Suelo con grava Conglomerado Roca sedimentaria suave Roca dura Concreto f’c 140 kg/cm2 Concreto f’c 210 kg/cm2

0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.30 1.50 1.80 2.40 3.00 3.80 6.60

0.45 0.60 0.75 0.85 1.15 1.50 1.80 2.40 4.50 4.40 7.40

1.3.8 Diseño de Canales por Máxima Fuerza Tractiva

Fig 1.17 Distribución de Esfuerzo Cortante en la Sección de un Canal Trapezoidal

Recordemos:

   W hS

Ec 2.8, si lo

expresamos en función de y:

  W yS

Los ingenieros Olsen y Florey (USBR) determinaron que la distribución del Esfuerzo Cortante en canales trapezoidales, rectangulares y triangulares, está en función de “y” y tiene la distribución típica que se muestra en la Fig 1.17 El Esfuerzo Cortante (τ), no está distribuido uniformemente a lo largo del perímetro mojado y se observa que se tiene un Esfuerzo cortante máximos en el Talud (τmaxt) y un Esfuerzo cortante máximos en el fondo (τmaxf)

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Para el diseño de canales estables, los Esfuerzos Cortantes Máximos del flujo no deben ser mayores a los Esfuerzos Cortantes Críticos de fondo y de talud, por lo que se requiere...