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DISEÑO DE CANALES NO EROSIONABLES PARA FLUJO UNIFORME


Básicamente los canales abiertos se pueden clasificar en dos tipos según su origen, es decir naturales y artificiales.  Los canales artificiales a su vez se pueden clasificar en no erosionables (canales revestidos) y erosionables (canales de tierra).  Además, dependiendo de la topografía, del tipo de suelo y de las velocidades de flujo, los canales pueden ser excavados o revestidos. En realidad el flujo que circula por un canal abierto es casi siempre flujo No uniforme y No permanente, sin embargo solucionar las ecuaciones que rigen este tipo de comportamiento del flujo es poco practico y a no ser en casos especiales para el diseño de canales se emplean fórmulas empíricas para flujo uniforme, que proporcionan una aproximación suficiente y útil para el diseño.

 

La mayoría de los canales terminados y construidos pueden resistir la erosión  satisfactoriamente y se consideran entonces no erosionables.  Los canales sin terminación son generalmente erosionables, excepto aquellos excavados en fundaciones firmes tales como un lecho rocoso.  Al diseñar canales no erosionables, tales factores como la máxima velocidad permitida y la fuerza atractiva permitida no son los criterios considerados.

 

El diseñador simplemente calcula las dimensiones del canal con una fórmula de flujo uniforme y entonces decide las dimensiones finales sobre la base de eficiencia hidráulica, o reglas empíricas de la mejor sección, practicabilidad y economía.  Los factores a ser considerados en el diseño son: la clase de material que forma el cuerpo del canal, el cual determina el coeficiente de rugosidad; la velocidad mínima permitida, evitar depósitos si el agua lleva limo o desperdicios; la pendiente del fondo del canal y las pendientes laterales; la altura libre; y la sección más eficiente, sea determinada hidraulicamente o empíricamente.

 

Los canales revestidos permiten velocidades altas, disminuyen las filtraciones y requieren de secciones transversales más reducidas que otro tipo de canales como los excavados etc.  Sin embargo, su costo y su duración dependen de la calidad del revestimiento y del manejo adecuado que se le dé a las aguas subsuperficiales.  Los materiales de revestimiento pueden ser arcilla, suelo-cemento, ladrillo, losas de concreto simple o reforzado, piedra pegada, etc.Material no erosionable y su terminación.  Los materiales no erosionables usados para formar la terminación de un canal y el cuerpo de un canal construido incluyen hormigón, piedra trabajada, acero, fundición, madera, vidrio, plástico, etc.  La selección del material depende principalmente de la disponibilidad y costo del material, del método de construcción y del propósito para el cual va a ser usado el canal.  El propósito de terminar o revocar un canal es en la mayor parte de los casos para prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser para checar las perdidas de filtración.  En canales terminados, la máxima velocidad permitida, por ejemplo, el máximo que no causara erosión, puede ser ignorado, provisto que el agua no lleva arena, gravilla, o piedras.

 

La velocidad mínima permitida.  La velocidad mínima permitida, o la velocidad no depositante, es la más baja velocidad que no iniciara sedimentación y no inducirá el crecimiento de plantas acuáticas y musgo.  Esta velocidad es muy incierta  y su valor exacto no puede ser fácilmente determinado.  Para el agua que no lleva carga de limo o para el flujo sin limo, este factor tiene poca significación excepto por su efecto sobre el crecimiento de las plantas.  Generalmente hablando, una velocidad media de 2 a 3 fp/s prevendrá  un crecimiento de vegetación que disminuirá seriamente la capacidad de arrastre del canal.

 

Pendiente del canal.  La pendiente longitudinal del fondo de un canal esta gobernada  generalmente por la topografía y la carga de energía requerida para el flujo de agua.  En muchos casos, la pendiente puede depender también del propósito del canal.  Por ejemplo, los canales utilizados para propósitos de distribución de agua, tales como los usados en irrigación, suministro de agua, excavación hidráulica, y proyectos de hidropotencia, requieren un nivel alto en el punto de entrega; entonces, una pequeña pendiente es deseable con el objeto de mantener a un mínimo la perdida en elevación.  Las pendientes laterales de un canal dependen principalmente de la clase de material; el cuadro 1 da una idea general de las pendientes aconsejables para su uso con varias clases de materiales.  Para material erosionable, sin embargo, una determinacion más segura de las pendientes debiera ser controlada contra el criterio de velocidad máxima permitida o por el principio de fuerza tractiva.  Otros factores a ser considerados al determinar pendientes son los métodos de construcción, la condición de las perdidas de filtración, cambios climáticos, tamaño del canal, etc. Generalmente las pendientes laterales  deberían ser hechas tan empinadas como practicables y deberían ser diseñadas para una alta eficiencia hidráulica y estabilidad.  Para canales revestidos, el U.S Bureau of Reclamation ha estado considerando la estandarización con una pendiente de 1.5:1 para los tamaños usuales de canales.  Una ventaja de esta pendiente es la que es suficientemente plana para permitir el uso practico de casi todo tipo de revestimiento o tratamientos de terminación ahora o en el futuro anticipado por el Bureau.

 

CUADRO 1 ( Pendientes laterales aconsejables para canales construidos con varias clases de materiales).

                    Materiales                                                      Pendientes laterales

Roca……………………………………………………………….       Casi vertical

Estiércol y suelos de turba………………………………………       ¼ : 1

Arcilla dura o tierra con protección de hormigón……………..       ½ : 1 a 1 :1

Tierra con protección rocosa, o tierra para canales grandes..      1 :1

Arcilla firme o tierra para zanjas pequeñas………………… …      1 ½ :1

Tierra arenosa suelta…………………………………………….       2 :1

Greda arenosa o arcilla porosa…………………………………       3 :1

 

Altura libre. La altura libre de un canal es la distancia vertical desde la parte  superior del canal a la superficie del agua en la condición de diseño.  Esta distancia debería ser suficiente para prevenir que las olas o fluctuaciones en la superficie del agua desborde los lados.  Este factor se hace importante particularmente en él diseño de canaletas elevadas, ya que la subestructura de la canaleta puede ser dañada por cualquier desborde.

 

No existe una regla aceptada universalmente para la determinación de la altura libre, ya que la acción de la ola o de la fluctuación de la superficie del agua en un canal puede ser creada por muchas causas incontrolables.  Olas pronunciadas y fluctuaciones de la superficie del agua son generalmente esperadas en canales donde la velocidad es tan alta y la pendiente tan pronunciada que el flujo se hace muy inestable, o en curvas donde la alta velocidad y un ángulo de inflexion grande puede causar apreciable sobreelevada superficie del agua en el lado convexo de una curva, o en canales donde la velocidad del flujo se aproxima al estado critico al cual  el agua puede fluir a profundidades alternas  y así saltar de un nivel bajo a un nivel  alto a la menor obstrucción.   Otras causas naturales tales como él   movimiento del  viento o acción de la marea pueden también inducir olas  altas y requieren consideración especial en el diseño.  La altura libre en un canal sin revestir o lateral, normalmente será gobernada por las consideraciones de tamaño del canal y ubicación, el flujo entrante de aguas de lluvia, y fluctuaciones del nivel del agua causadas por controles, acción del viento, características del suelo, gradiente de percolacion, requerimientos de operación de caminos y disponibilidad del material excavado. De acuerdo a la U.S Bureau of Reclamation (4), el rango aproximado de alturas libres frecuentemente utilizado se extiende desde 1 ft para laterales pequeños con profundidades bajas hasta 4 ft en canales de 3000 cfs o más capacidad con profundidades de agua relativamente grandes.  El Bureau recomienda que estimados preliminares de la altura libre requeridos bajo condiciones ordinarias sean hechos de acuerdo a la siguiente formula: 

 

F = ( Cy )1/2 

 

Donde F es la altura libre en ft, y es la profundidad del agua en el canal en ft, y C  es un coeficiente variando desde 1.5 para una capacidad del canal de 20 cfs hasta 2.5 para una capacidad del canal de 3000 cfs o más.

 

Para canales revestidos o laterales, la altura del revestimiento sobre la superficie del agua dependerá de un  numero de factores: tamaño del canal, velocidad del agua, curvatura del alineamiento, condición de los afluentes de agua de lluvia o drenajes, fluctuaciones en el nivel de agua debido a la operación de las estructuras de regulación del flujo, y acción del viento.

 

La mejor sección hidráulica.  Es conocido que el transporte de la sección de un canal aumenta con el aumento en el radio hidráulico o con la disminución en el perímetro mojado.  Desde un punto de vista hidráulico, entonces, la sección del canal teniendo el menor perímetro mojado para una área dada tiene el transporte máximo; tal sección es conocida como la mejor sección hidráulica.  El semicírculo tiene el menor perímetro  entre todas las secciones con la misma área; de aquí entonces que es la más eficiente hidraulicamente de todas las secciones.

 

Los elementos geométricos de las seis mejores secciones hidráulicas se han agrupado en el cuadro 7.2, pero estas secciones puede que no siempre sean practicas debido a las dificultades en la construcción y en el uso del material.  Desde un punto de vista practico, debiera destacarse que una mejor sección hidráulica es la sección que da la mínima área para una descarga dada pero no necesariamente la excavación mínima.

 

CUADRO 2 ( Las mejores secciones hidráulicas )

Sección transversal Área mojada
A
Perímetro mojado
P
Radio hidráulico
R 
Ancho superior
T
Profundidad hidráulica
D
Factor de sección
Z
Trapecio: medio hexágono 31/2y2 2*31/2 y ½ y (4/3)*31/2y ¾ y 3/2  y2.5
Rectángulo: medio cuadrado 2 y2 4 y ½ y 2 y y 2 y2.5
Triángulo: medio cuadrado y2 2*21/2y (¼)21/2y 2 y ½ y (21/2 /2)y2
Semicírculo /2)y2 Õy (½)y 2 y / 4)y / 4) y2.5
Parábola
T= 2* 21/2y
(4/3)21/2 y (8/3) 21/2 y ½ y 2*21/2 y (2/3) y (8/9)31/2 y
Catenaria hidrostática 1.39586y2 2.9836y 0.46784y 1.917532y 0.72795y 1.19093y2

 

Determinación de las dimensiones de la sección.  La determinación de las dimensiones de la sección para canales no erosionables incluye los siguientes pasos:

                                    AR2/3 =     n Q/1.49 S1/2

 

Y = 0.5 A1/2  ; donde A es el área en ft2.

 

Transcripción de Ven Te Chow

Mónica Estrada Zabala


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