CANALES

 

Los canales se pueden clasificar según el uso final que tengan: canales para agua potable, riego, drenaje, energía hidroeléctrica, etc.

Los canales tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios para cubrir la demanda.

En general, el canal de aducción en una cuenca de montaña, es la obra que requiere las mayores inversiones comparando con las demás obras civiles de un sistema hidráulico, ya que debido a su longitud y condiciones topográficas, los volúmenes de excavación, materiales de construcción, etc. superan en general al resto de obras civiles (obra de toma, cámara de carga o tanque de almacenamiento). En muchos casos el costo de inversión del canal será fundamental para establecer la viabilidad de un proyecto.

 

1. Sección efectiva de un canal:

Un canal puede adoptar diferentes formas desde trapezoidal hasta rectangular (pasando por formas poligonales, parabólicas, semicirculares, etc.).

Los canales en zonas de montaña se construyen generalmente de formas trapezoidales y rectangulares, los primeros en suelos con menor estabilidad relativa y los segundos en suelos con mayor estabilidad relativa o en suelos rocosos.

Un canal trapezoidal es caracterizado por la siguiente relación hidráulica:

Donde:

b = Ancho de la solera

h = tirante

m = inclinación del talud, m = a/h

 

Figura 1.1

Se recomienda  mantener el valor de ß entre 2.2 a 5, lo cual permite incremento de los volúmenes de excavación entre 2 a 3 %, en comparación a una sección hidráulicamente económica.

 

2. Diseño hidráulico de un canal:

Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección, embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos de operación o seguridad.

La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula desarrollada por Chezy:

 

Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción:

Donde:

v Velocidad media de flujo en m/s

C Coeficiente de Chezy

R Radio hidráulico en m

I Pendiente hidráulica

Q Caudal en m3/s

A Area efectiva en m2

El caudal Q manifiesta la capacidad de conducción, la pendiente hidráulica del canal que será función de las condiciones topográficas podrá estar asociada al mismo tiempo a las velocidades límites; éstas se establecerán con base en las características del material que conforme el perímetro mojado y tomará en cuenta la probabilidad de erosión y sedimentación.

Según Manning-Strickler, el coeficiente de Chezi adquiere la siguiente forma:

donde: Ks coeficiente de fricción de Manning-Strickler

R Radio hidráulico en m

 

Por lo que la capacidad de conducción del canal se podrá expresar por medio de la fórmula siguiente:

El coeficiente de fricción de Manning-Strickler dependerá del tipo de material que conforma el perímetro mojado, del caudal y de las características morfológicas del canal. La influencia de la rugosidad será mayor para caudales menores, reduciéndose en función de su incremento. Por otra parte, la configuración en planta también tendrá efectos sobre la rugosidad, siendo mayor para trayectorias con numerosos curvas y cambios de sección, sin embargo esta influencia en la práctica solo es posible determinar mediante mediciones en canales ya construidos.

Para el diseño se deberá adoptar valores de Ks mediante una asociación entre los materiales que se utilizarán para conformar el perímetro mojado y los valores obtenidos de mediciones in situ y en laboratorio para materiales similares. En la tabla 2.1 se muestra algunos valores que pueden servir de referencia.

 

 

 

Tabla 1.1 - Valores de ks según Press-Bretchneider

MATERIAL

CLASE, FORMA, ESTADO

Ks en m1/3 /s

Madera

 

Tablas cepilladas

Tablas no cepilladas

Canales antiguos

Canales nuevos y lisos

85 a 90

75 a 85

65 a 70

90 a 95

Asfalto

Canales revestidos de asfalto

Canales de hormigón asfáltico

70 a 75

72 a 77

Hormigón

Con acabado liso

Hormigón c/encofrado metálico

Hormigón c/encofrado de madera

Hormigón bien acabado

Hormigón vibrado

Acabado ordinario

Galerías con cuidadoso acabado

Galerías con acabado ordinario

100

90 a 100

65 a 70

90

60 a 70

50 a 55

85 a 95

70 a 80

Fábrica

 

Mampostería ladrillo bien ejecutado

Mampostería normal

75 a 80

60 a 70

Piedra natural

 

 

 

 

Sillería

Mampostería cuidadosamente tratada

Mampostería normal

Mampostería ordinaria

Taludes de mampostería,

adoquinados, con solera de arena o grava

70 a 80

70

60

50

45 a 50

Tierra

Material duro, liso

Material duro, fino

Grava fina a mediana

Grava gruesa

Barro con torrones

Con piedras gruesas

Canales de tierra, mucha vegetación

60

50

40 a 45

35

30

25 a 30

20 a 25

El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo, de manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e.

Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G. Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India, la misma que se expresa de la siguiente manera:

 

Donde:

v0 Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en pies/s

y Tirante de agua, en pies

C Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal, que King  asocia al grado de finura de las partículas del suelo.

Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen, ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base de mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los rangos de validez de las mismas y de las características particulares de los canales que sirvieron de modelo.

La velocidad mínima permisible, vn.s., que evite la sedimentación de partículas sólidas, puede determinarse utilizando la fórmula empírica de I.I. Levy:

Donde:

w Velocidad de caída de una partícula de diámetro dav en mm/s

dks Diámetro característico de las partículas en suspensión en mm.

R Radio hidráulico del canal en m.

n Coeficiente de rugosidad del perímetro mojado del canal.

Girshkan propone la siguiente fórmula:

 

Donde:

F Coeficiente igual a: 0.33 para w = 1.5 mm/s

0.44 para w = 1.5 - 3.5 mm/s

0.55 para w > 3.5 mm/s

Q Caudal en m3/s

La velocidad límite o velocidad mínima que debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal, puede entenderse también como las capacidad del flujo de transportar una determinada cantidad de sólidos suspendidos en el agua. Bajo este concepto se aconseja utilizar la fórmula semi-empírica de E.A. Zamarín.

m Concentración de sedimento en kg/m3 de agua

v Velocidad de flujo en m/s

w Velocidad de sedimentación en mm/s

R Radio hidráulico en m.

I Pendiente hidráulica

En el canal no se presentará sedimentación de sólidos en suspensión si la capacidad de transporte m es mayor que la concentración manifestada por la turbiedad del agua.

Por otro lado es importante analizar las condiciones de flujo desde el punto de vista de las posibilidades de erosión y/o socavación, en este caso las magnitudes de control se manifiestan en términos de velocidad máxima o tensión de corte máxima.

Para solera móvil, la velocidad admisible de flujo es dependiente del diámetro de los granos que componen la solera y del tirante hidráulico. A.M. Latyshenkov y B.I. Studennichnikov  la fórmula empírica siguiente:

 

Donde:

vn.e Velocidad máxima permisible en m/s para la que no se presentaría erosión en el perímetro mojado

F Coeficiente

r Exponente

dk Diámetro característico del material de la solera en mm.

n Exponente

Para dk < 1-10 mm F = 5, r = 0.3, n = 0.2

Para dk > 1-10 mm. F = 3.6, r = n, n = 0.25

Los sedimentos en suspensión reducen la acción erosiva del agua y según B.I. Studennichnikov, la velocidad máxima admisible puede ser afectada por un término dependiente de la turbiedad del agua, a saber:

 

Donde:

v'n.e. Velocidad máxima admisible para flujo con material en suspensión en m/s.

vn.e. Velocidad máxima admisible para flujo de agua limpia en m/s.

m Turbiedad del agua en kg/m3

En la tabla 8.2 se muestran valores de la máxima velocidad permisible del flujo para diferentes tipos de materiales rígidos, considerando que el flujo es libre de arena gruesa y guijarros.

Tabla 1.2 - Velocidad de flujo permisible vn.e en m/s para escurrimiento sin erosión

TIPO DE MATERIAL

Tirante h en metros

 

0.5

1.0

5.0

Roca (sedimentaría e ígnea)

 

Canal de madera

 

Revestimiento de concreto

 

Revestimiento/mampostería de piedra

1.7-6.3

 

26 - 29

 

9.6 -15.6

 

4.3 -7.4

 

2.1-7.7

 

28 - 32

 

10.6 -17.3

 

5 - 8.7

3 - 11

 

34-38

 

13 -21.2

 

6.7 -11.6

Azevedo Netto-G.A. Alvarez plantean los siguientes valores:

 

 

 

Tabla 1.3 - Velocidad de flujo permisible para escurrimiento sin erosión.

MATERIAL

vn.e. (m/s)

Canales arenosos

Arcilla arenosa

Materiales aglomerados consistentes

Muro de piedra

Canales en roca compacta

Canales de concreto

0.30

0.40

2.00

2.50

4.00

4.50

El U.S. Bureau of Reclamation publicó en 1925 un cuadro realizado por Fortier y Acobey (13) en el que se presenta valores de velocidad y tensión de corte máximas, para canales de pequeña pendiente y tirantes menores a 0.91 m. (Tabla 2.4).

 

Tabla 1.4 - Valores admisibles de la tensión de corte y velocidad media de flujo según Fortier y Acobey

MATERIAL

Ks
m1/3 /s

Agua clara

 

Agua c/limo

 

 

 

v
m/s

 o
kg/m

v
m/s

 o
kg/m

Arena fina *

Greda arenosa **

Greda limosa **

Limo aluvial **

Greda común firme

Arcilla dura ***

Limo aluvial *

Grava fina

50

50

50

50

50

40

40

50

0.46

0.53

0.61

0.61

0.76

1.14

1.14

0.76

0.13

0.18

0.23

0.23

0.37

1.27

1.27

0.37

0.76

0.76

0.91

1.07

1.07

1.52

1.52

1.52

0.37

0.37

0.54

0.73

0.73

2.24

2.24

1.56

* Coloidal, ** No coloidal, *** Muy coloidal

 

3. Secciones del canal en terrenos empinados:

El trazado de un canal en terrenos de fuerte pendiente requiere de cuidados especiales, para evitar excesivos volúmenes de excavación y obras complementarías.

En zonas con pendientes no pronunciadas y estables, el canal puede desarrollarse por medio de secciones de corte total o secciones combinadas corte-relleno (fig. 2.2 a y b). En los sectores empinados y estables resultará conveniente incorporar un muro en el sector exterior (fig. 2.2 c,f).

En terrenos de mayor pendiente, el diseño encontrará mayor complicación, ya que la topografía ofrece condiciones menos favorables, sin embargo pueden considerarse las recomendaciones de M. Grishin.

En sectores descubiertos o desnudos convendrá el corte parcial y construir un muro de retención en el sector exterior. Si el terreno cuenta con un estrato aluvial o de suelo menos estable, se incorporará un muro de protección en el sector interior sobre el

talud del canal para asegurar la estabilidad del estrato y evitar el ingreso de grandes cantidades de sedimento (fig. 2.2 e). Otra variante será la construcción de una cubierta superior (o tapa) de hormigón armado, principalmente en sectores con suelos que presenten avanzados procesos de erosión laminar. En estos casos conviene dotar a la superficie exterior de la cubierta de una rugosidad mayor a la rugosidad del medio físico; con esta medida se evitará la aceleración del flujo que se desarrolle en época de lluvias y por lo tanto se reducirán las posibilidades de erosión local.

 

Figura 1.2 - Algunas posibilidades de sección de canal (M. Grishin)

En sectores rocosos con taludes de gran pendiente, el canal podrá formarse por medio de un túnel parcial (fig. 8.2 d); en este caso convendrá enlucir el perímetro de manera de reducir la rugosidad y las pérdidas por infiltración.

Dependiendo del estudio geológico y topográfico, se podrá considerar como variante la construcción de un túnel, para evitar el paso de tramos deleznables y reducir la longitud del canal. La construcción de un túnel es aplicable cuando representa una solución más económica y de mayor estabilidad en comparación con un canal abierto. En los casos de taludes de 45∞ o más, los volúmenes de excavación alcanzarán magnitudes tan grandes, que resultará más económico construir un túnel. De igual modo será aplicable cuando se quiera superar una loma muy pronunciada, construyendo un túnel que la atraviese de un lado a otro. Por lo general, un túnel resulta una solución obligada y se aplica en los casos en los que no es posible la construcción de un canal, ya que los costos de construcción serían mayores.

El diseño de un canal incorporará las medidas necesarias para evitar la sobresaturación de los taludes aledaños por efecto de precipitación pluvial, entre otras se puede mencionar el sistema de drenaje conformado por canales recolectores y alcantarillas, que se encargará de conducir las aguas pluviales hacia cursos de agua cercanos. En la medida de lo posible, se complementará con medidas que permitan la protección de los suelos en los sectores contiguos al canal por medio de medidas biológicas (cobertura vegetal), combinadas con aplicaciones artificiales de protección adicional como por ejemplo malla alveolar de geotextil.

Fortier y Acobey obtienen conclusiones de la observación de un gran número de canales, que será importante considerar, a saber:

- El material de los sedimentos asentados en los canales, tienen diferentes tamaños, de manera que las partículas pequeñas rellenan los intersticios, conformando una capa más densa y estable. Los coloides presentes en el material sedimentado, tienden a cementar las partículas de arcilla, cieno, arena y grava, incrementado la resistencia a la erosión hídrica.

- Los canales de riego se calculan para las condiciones de velocidad admisible, en el entendido que el caudal máximo de flujo se alcanzará de manera gradual, al incrementarse paulatinamente la demanda de agua de las zonas de riego. Durante este período el perímetro mojado se irá asentando, incrementado la resistencia a la erosión.

- Los canales para centrales hidroeléctricas probablemente trabajen con el caudal máximo de proyecto en un corto tiempo, por lo que será conveniente aplicar una velocidad de diseño más conservadora.

- Se recomienda en canales nuevos, controlar el escurrimiento en velocidades menores a la máxima admisible, por medio de las compuertas de control.

 

4. Obras complementarias:

La presencia de depresiones, cursos de agua o accidentes topográficos, incorporan condiciones límites especiales y particulares a un canal, de manera que será necesario considerar elementos complementarios, que permitan superar estos obstáculos.

4.1 Acueductos:

Los acueductos son estructuras que tiene la función de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento.

Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente.

Los materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas.

El acueducto servirá entonces para vencer algún accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales.

Figura 1.3 - Esquemas un acueducto

Es importante considerar también las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrán coincidir con las secciones indicadas.

 

4.2 Sifones:

Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.

 

Figura 1.4 - Esquema de un sifón invertido superficial

El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán bajo presión.

Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada.

El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.

Figura 1.5 - Transiciones de entrada y salida

El área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del conducto; Zurita considera los siguientes valores:

- Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s

- Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema.

El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible.

·         Transiciones:

Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montaña se pueden mencionar a las caídas y las rápidas.

Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las características topográficas. De igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras especificas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras.

 

Figura 1.6 - Algunos tipos de transiciones

 

·         Tanques de agua y cámaras de carga:

La estructura de aducción de un sistema hidráulico se conectará a un tanque de agua en los casos en que sea necesaria la regulación de los caudales, como es el caso de los sistemas de agua potable. Sin embargo se utilizan tanques de regulación también en microsistemas de riego.

Mediante la construcción de tanques de almacenamiento se logra compensar las variaciones de la demanda durante el día, mantener las presiones establecidas para la red y situaciones eventuales de emergencia. Estos aspectos asociados a las características hidrológicas de la fuente de captación, determinarán la capacidad necesaria y las dimensiones del tanque o del sistema de tanques, si se decide utilizar dos o más tanques de almacenamiento.

 

Figura 1.7 - Esquemas de un tanque de almacenamiento

Los tanques de almacenamiento en cuencas de montaña se construyen en general directamente sobre la superficie del suelo, pudiendo construirse de mampostería de piedra, mampostería de ladrillo, hormigón armado u otro material.

Los accesorios principales que se consideran en un estanque de almacenamiento son:

 

- Canal o tubería de llegada.- Según el tipo de aducción adoptado para el sistema.

- Canal o tubería de salida.- Según las consideraciones establecidas para la distribución del agua. En el caso de agua potable se realizará por medio de una tubería, pero para sistemas de riego podrán presentarse ambos casos.

- Tubería o canal de limpieza.- Según las condiciones de limpieza establecidos. Para tanques pequeños y medianos es usual el empleo de tuberías de limpieza.

- Tubería o vertedero de excedencias.- Según los caudales a evacuar. En tanques pequeños y medianos es frecuente el empleo de tubería.

- Ventilación.- Los tanques se almacenamiento cerrados deberán disponer de un medio de ventilación, que en general podrá ser una o más tuberías, que permita el ingreso de aire y que evite al mismo tiempo el ingreso de insectos y otros animales.

Figura 1.8 - Detalles de accesorios en tanques de almacenamiento

Las cámaras de carga, en general se aplican a sistemas hidroeléctricos como estructuras de transición entre el canal de aducción y la tubería de presión. Estos tanques tienen limitadas condiciones de regulación, debido fundamentalmente a los caudales que se utilizan en las turbinas, lo cual no permite aprovechar el volumen de este tanque para el almacenamiento de agua, aunque es posible que se presenten casos de tanques de carga que trabajen como reguladores horarios, como es el caso de los sistemas que utilizan pico-turbinas.

Figura 1.9 - Esquema de una cámara de carga

Una cámara de carga cumple dos funciones principales, a saber: como estructura de transición entre el sistema de aducción y la tubería de presión y como elemento regulador del nivel de carga sobre la turbina.

Estas funciones deben tomarse en cuenta en el diseño, logrando geometrías que permitan el paso del agua con un escurrimiento que desarrolle velocidades que se incrementarán gradualmente hacia la tubería en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques contra las paredes y cambios bruscos de dirección.

La regulación del nivel de carga se logrará por medio de un vertedero de excedencias con capacidad de evacuación igual o mayor al caudal de aducción.

En las cámaras de carga es importante el control de la formación de vórtices en un sector cercano al ingreso a la tubería de presión. La altura mínima entre el eje de ingreso a la tubería y el nivel de agua en la cámara se podrá calcular por medio de la expresión recomendada por Gómez-Navarro:

Donde:

 

Hmin Altura mínima de agua sobre el eje de la tubería en [m].

v Velocidad media en la tubería de presión en [m/s].

D Diámetro interno de la tubería en [m].

Para evitar la formación de vórtices es recomendable incorporar un elemento flotante a manera de una rejilla de madera, que logra romper la tensión superficial por el constante choque de las láminas de agua contra los elementos de la rejilla.

 

 

 

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