DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALESLos canales son una parte fundamental en los sistemas de utilización de agua para riego y para generar energía, entre otros. La construcción de estas puede hacerse utilizando diferentes métodos, materiales y diferentes formas geométricas: rectangulares, trapezoidales, etc. El conocimiento de diseños hidráulicos de canales, es esencial para el diseño de estas estructuras, ya que ella proporciona los principios básicos, para obtener los diferentes parámetros de diseño como la pendiente, la rugosidad, el talud, etc. El diseño hidráulico de canales consiste en realizar el dimensionamiento y la forma geométrica del canal. TRAZO DE CANALES Se realiza en tres etapas Estudios de reconocimiento Estudios preliminares Estudios definitivos Se desarrolla: -Un estudio geológico de la zona. -Aforos al pie del río. Se realizan levantamientos topográficos A base de los levantamientos se hacen la curvas maestras en las zonas planas de metro a metro. CANALES DE RIEGO por sus funciones Canal de primer orden Canal de segundo orden. Deben ser trazados a mínima pendiente Canal de tercer orden Deben ser trazados a máxima pendiente Estará en función de las necesidades del cultivo CONDICIONES HIDRÁULICAS Y NO HIDRAULICAS PARA EL DISEÑO CONDICIONES HIDRAULICAS EN LA PENDIENTE SUB-CRÍTICA EL AGUA EN LA ZONA DE TRANSICIÓN APARECE ONDULANTE. EL FLUJO ES UNIFORME EN EL TRAMO MEDIO DELCANAL PERO VARIADO EN LOS DOS EXTREMOS. SE RECOMIENDA QUE EL TIPO DE FLUJO EN CANALES DEBE SER SIEMPRE SUBCRÍTICO. El número de FROUDE en canales abiertos nos informa del estado del flujo hidráulico y se define como: Donde: V = Velocidad media de la sección del (m/s). T = Tirante (ancho superficial del espejo agua en metros). g = Aceleración de la gravedad (m/s 2 ). A = Área hidráulica. T A g v F = CONDICIONES NO HIDRAULICAS Topografía del eje de ruta del canal Geológicas Hidrográficas e hidrológicas Condiciones ambientales Hidrogeológicas Flujo Súper crítico: F > 1 Flujo Crítico: F = 1 SECCION HIDRÁULICA DEL CANAL • Sección rectangular: requiere de taludes estables y queda determinada con dos elementos como la base y el tirante. • Sección trapezoidal: La más usada para canales de tierra, ofrece ventaja de poder utilizarse en ciertos casos sin revestimientos especiales. • Sección circular: Utilizado como semicircular en canales de tierra y acueductos o completos en túneles. • Sección en herradura y ovoide: Utilizado el primero en túneles y el segundo como colector de desagües fluviales y cloacales. • Sección parabólica: Principalmente prefabricada. La pendiente de un canal es uno de los factores más importantes para el diseño; su elección depende de la topografía y del aprovechamiento económico que se deriva de la condición del agua. La pendiente seleccionada debe sustentar una velocidad del agua tal que las dimensiones de la caja y de la plataforma del canal produzcan el menor movimiento de tierras. Usualmente se verificará que corresponda a un valor intermedio entre aquellas que podrían provocar erosiones o sedimentaciones en el canal. La pendiente máxima admisible para canales de tierra varía según la lectura. PENDIENTE O RASANTE DEL CANAL DE RIEGO TIPO DE SUELOS PENDIENTES (º/o) Suelos sueltos Suelos francos Suelos arcillosos 0.5 - 1.0 1.5 - 4.5 3.0 - 4.5 PENDIENTES MAXIMAS MATERIAL TALUD (horizontal : vertical) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos : 1 Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto 0.5 : 1 hasta 1:1 Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales 1:1 Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2:1 Greda arenosa o arcilla porosa 3:1 TALUDES APROPIADOS PARA DISTINTOS TIPOS DE MATERIAL TALUDES DE LA CAJA DEL CANAL En los canales el revestimiento tiene como función el control de pérdidas por infiltración, depende del grado de estabilidad que ofrece el material sobre el cual se construirá el canal; así, mientras más inestable sea el material, menos deberá ser el ángulo de inclinación de los taludes. ELECCION DEL TALUD DE LA CAJA DEL CANAL MATERIAL CANALES POCO PROFUNDOS CANALES PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical : 1 Arcillas compactas o conglomerados 0.5 : 1 1 : 1 Limos arcillosos 1 : 1 1.5 : 1 Limos arenosos 1.5 : 1 2 : 1 Arenas sueltas 2 : 1 3 : 1 Concreto 1 : 1 1.5 : 1 PENDIENTES LATERALES EN CANALES SEGÚN TIPO DE SUELO Es la resistencia al flujo del agua, que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la geología del cauce en los conductos naturales. El coeficiente de rugosidad depende del material. La rugosidad depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal. RUGOSIDAD DE LA CAJA DEL CANAL Mampostería de piedra Canal de concreto Canal en suelo natural . DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (n) DE MANNING • Para la determinación del coeficiente de rugosidad (n) depende de la aspereza de la superficie. • En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendidos entre 0.025 y 0.030 y para canales revestidos de concreto 0.015 (en la práctica). Curvas Vegetación Irregularidades La presencia de curvas aumenta la resistencia. Su crecimiento demasiado puede dar lugar a aumentos del orden del 50% en el valor de “n”. Las pequeñas irregularidades alteran los valores de la rugosidad supuesto. VALORES DE RUGOSIDAD “n" DE MANNING n Superficie 0.010 Muy lisa, vidrio, plástico, cobre. 0.011 Concreto muy liso. 0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado. 0.017 Canales de tierra en buenas condiciones. 0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación. 0.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo 0.035 Canales naturales con abundante vegetación. 0.040 Arroyos de montaña con muchas piedras. DISEÑO HIDRAULICO DEL CANAL DE RIEGO: o Trata de la determinación de su forma y de sus dimensiones, de establecer la necesidad o no de su revestimiento y en este último caso su tipo. o La determinación de la forma y dimensiones del canal se refiere a la selección de los taludes del canal y el cálculo de la base, tirante y el borde libre. Donde: Q = Caudal (m 3 /s) n = Rugosidad A = Área (m 2 ) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo EL TIRANTE DE AGUA: Es la altura del agua en el canal; su selección tiene gran influencia en la eficiencia de la conducción y en el costo de las obras; guarda una relación directa con la base. CRITERIOS PARA EL CÁLCULO DEL TIRANTE DE AGUA TIRANTE DE AGUA CONDICIONES PARA SU CALCULO MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA MINIMA INFILTRACION MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA Y MINIMA INFILTRACION CANALES REVESTIDOS CANALES SIN REVESTIR CANALES SIN REVESTIR SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA Es aquella para la cual una sección mojada, pendiente y calidad de las paredes descarga el máximo caudal. Fundamentalmente se utiliza para canales revestidos pues minimiza el volumen de revestimiento. 2 2 u tg y b = ZY Z y P 2 1 4 2 ÷ + = ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA DE LAS FORMAS MÁS RECURRIDAS EN EL DISEÑO DE CANALES SECCIÓN ÁREA (A) PERÍMETRO MOJADO RADIO HIDRÁULICO ESPEJO DE AGUA Trapezoidal √3 y 2 √3 y 2 ½ y ¾ √3y Rectangular 2 y 2 4y ½ y 2y Triangular y 2 √2 y 2 ¼ √2 y 2y Semicírculo √2 y 2 y ½ y 2y Parábola ¾ √2 y 2 8/3 √2 y ½ y 2 √2y Relación base tirante para sucesiones trapezoidales y rectangulares de M.E.H. TALUD (Z) 0 ¼ ½ ¾ 1 1 ½ 2 3 B/y 2.000 1.562 1.236 1.000 0.828 0.605 0.472 0.325 SECCIÓN DE MÍNIMA INFLITRACIÓN Si un canal esta trazado sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por filtración. Relación o base - tirante para secciones de mínima infiltración para diferentes taludes. ( ) | . | \ | = ÷ + = 2 4 1 4 2 u tg y b y Z Z y b TALUD Z 0 ¼ ½ ¾ 1 1 ½ 2 3 B/y 4.00 3.124 2.472 2.00 1.657 1.211 0.944 0.65 SECCIONES DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA Y MÍNIMA INFILTRACIÓN Son las secciones cuyo diseño tiene la finalidad de que el canal transporte el caudal máximo y tenga una mínima pérdida de infiltración, estos diseños se realizan para canales sin revestimiento o sea en canales de tierra, esta sección viene a ser el promedio de M.E.H y mínima infiltración. RELACIÓN BASE – TIRANTE ( ) ( ) 2 2 2 3 1 3 u tg y b Z Z y b = ÷ + = VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE DEL AGUA EN CANAL DE RIEGO La velocidad del agua influye en la conservación de los revestimientos y en la estabilidad de los canales no revestidos, dado que las velocidades altas posibilitan la abrasión de los revestimientos de las paredes y del fondo de los canales. En canales sin revestimiento las velocidades, tanto mínima como máxima están en un rango de 0.63 m/s - 0.96 m/s. PARA CANALES REVESTIDOS TENEMOS SEGÚN EL MATERIAL DE REVESTIMIENTO MATERIAL DE REVESTIMIENTO VELOCIDAD MAX. (m/s) Suelo de ceniza volcánica Tierra vegetal arcilla Suelo arcilloso duro Suelo con grava Conglomerado Concreto f’c 140 Kg/cm 2 Concreto f’c ./cm 2 Planchas de acero. 0.95 1.15 1.50 1.80 2.40 4.40 7.40 20.00 DISEÑO GEOMETRICO DE LA SECCION DE UN CANAL DE RIEGO El diseño de secciones hidráulicas más usadas son la rectangular y trapezoidal. Para realizar el diseño de la sección del canal es necesario tener como datos el área a ser irrigado, el modulo de riego, plano topográfico para estimar la pendiente, análisis de para estimar el talud y el coeficiente de rugosidad según el tipo de revestimiento que se quiera dar. Para el diseño de la sección hidráulica de un canal revestido de concreto se sigue los siguientes pasos explicados en el ejercicio desarrollado que esta mas adelante: DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS: Problema 1 : canal revestido Datos : Q = 12.5 m 3 /s , Z = 1 , n = 0.017 , S = 0.0004 Solución : utilizamos la formula para sección de máxima eficiencia hidráulica. Z = 1 , b = 0.8284y ; por formulas para un trapecio: A = 0.8284y 2 + 1*y 2 Pm = 0.8284y + 2y 1 + 1 2 R = 0.8284y 2 + 1*y 2 0.8284y + 2y 1 + 1 2 Estos datos en función de “y” lo insertamos en la formula del Manning: | | 2 / 2 u tg y b = ° = 45 u De donde se tiene que y = 2.3007 m b = 1.9059 , b = 1.90 m Luego y = 2.2936 m , fb = 0.7645 m H = 3.0581 , H = 3.1 m fb = 0.8064 m , B = 1.90 + 3.1*1*2 B = 8.1 m Resultados Q (m3/s) n (--) s (m/m) z (--) y (m) A (m2) P (m) T (m) V (m/s) b (m) B (m) H 8m) Fb (m) 12.50 0.017 0.0004 1.00 2.2936 9.6184 8.3873 6.4872 1.2996 1.90 8.10 3.10 0.8064 Problema 2 : canal sin revestir Datos : Q = 6.70 m 3 /s , Z = 1.5 , n = 0.025 , S = 0.0003 Solución : utilizamos la formula para sección de mínima infiltración Z = 1.5 ,b = 1.2111y ; por formulas para un trapecio: A = 2.7111y 2 Pm = 4.8167y R = 0.5629y Estos datos en función de y lo insertamos en la formula del Manning: | | 2 / 4 u tg y b = ° ° ° = 24 . 24 41 33 u De donde se tiene que y = 1.860 m b = 2.2526 , b = 2.30 m Luego y = 1.8991 m , fb = 0.6330 m H = 2.5321 , H = 2.50 m fb = 0.6009 m , B = 2.30 + 2.50*1.5*2 B = 9.80 m Resultados Q (m3/s) n (--) s (m/m) z (--) y (m) A (m2) P (m) T (m) V (m/s) b (m) B (m) H 8m) Fb (m) 6.70 0.025 0.0003 1.50 1.8991 9.7778 9.1473 7.9973 0.6852 2.30 9.8 2.50 0.6009 EMPLEO DEL PROGRAMA H CANALES, EN EL DISEÑO DE SECCIONES HIDRÁULICAS H canales, software creado por el lenguaje de programación Visual Basic (Versión Windows) para el diseño de canales y estructuras hidráulicas. Así, están disponibles las versiones 1, 2, 2.1 y 3.0 para Windows. CANAL REVESTIDO Q = 12.5 m 3 /s , Z = 1 n = 0.017 , S = 0.0004 Para una sección de máxima eficiencia hidráulica. Insertamos en los espacios correspondientes los datos, luego damos click en calcular. Anotamos el ancho de solera y lo redondeamos a una medida constructiva. Con el ancho de solera modificado recalculamos nuestros resultados anteriores. Q (m3/s) n (--) s (m/m) z (--) y (m) A (m2) P (m) T (m) V (m/s) b (m) B (m) H 8m) Fb (m) 12.50 0.017 0.0004 1.00 2.3028 9.6779 8.4132 6.5055 1.2916 1.90 8.10 3.10 0.769 CANAL SIN REVESTIR Q = 6.7 m 3 /s , Z = 1.5 n = 0.025 , S = 0.0003 Para una sección de mínima infiltración. Insertamos en los espacios correspondientes los datos, luego damos click en calcular. Anotamos el ancho de solera y lo redondeamos a una medida constructiva. Con el ancho de solera modificado recalculamos nuestros resultados anteriores. Q (m3/s) n (--) s (m/m) z (--) y (m) A (m2) P (m) T (m) V (m/s) b (m) B (m) H 8m) Fb (m) 6.70 0.025 0.0003 1.50 1.8493 9.3830 8.9677 7.8478 0.7141 2.30 9.8 2.50 0.6507 Los canales tienen dos características importantes: una de ellas es que son obras lineales, de gran longitud. La otra característica fundamental es que el costo de la obra depende en gran medida del ajuste de la obra al terreno. PROCESO CONSTRUCTIVO DE CANALES DE RIEGO TRABAJOS PRELIMINARES Son todos los trabajos preliminares iníciales que se tienen que realizar antes de la ejecución de la obra. • Movilización de maquinaria y equipo. -Maquinaria y equipo transportado -Maquinaria y equipo auto transportado • Construcción y /o mejoramiento de vías de acceso. • Topografía y georeferencia del eje del canal. •Desbroce y limpieza de la franja del canal. OBRAS PROVISIONALES Se construyen inicialmente para facilitar el desarrollo de todos los trabajos de construcción del canal y obras conexas Campamentos Talleres de maestranza para el pool de maquinarias Cartel de obra MOVIMIENTO DE TIERRAS Y EXPLANACIONES Se refiere a todas las alteraciones naturales del suelo que modificarán el relieve del terreno, siendo estos costos muy importantes en un trabajo de irrigación EXCAVACION DE LA CAJA DEL CANAL Corresponde a la conformación de la sección de diseño de canales no revestidos, y los limites en tierra de aquellos por revestir. Luego de construida la plataforma del canal y haberse replanteado el eje. EXCAVACIÓNES PARA OBRAS DE ARTE Consiste en la excavación que hay que realizar en el terreno, para la construcción de obras de arte a lo largo del canal de riego. La excavación que se ejecute en la construcción de obras complementarias, tales como solares, cámaras, etc. Se ubicaran separadamente, y se agregaran al volumen total de excavación. REVESTIMIENTO DE LA CAJA DEL CANAL El uso de madera o láminas de fierro (con cilindros) se usa solo en caso de puentes, canales o tramo de canales provisionales. Los cilindros se usan también en tramos de canales tapados o entubados. El revestimiento con concreto, puede ser a mano o a máquina, encofrado de paños y preparación de superficie: -Concreto vaciado in situ -Canal con losas pre fabricadas -Canal de mampostería de piedra -Concreto ciclópeo con 30 a 60 % de piedra -Revestimiento de tierra USO DE CONCRETO PARA REVESTIMIENTOS Generalmente se utilizan revestimientos con concreto simple de f’c=100kg/cm² o f’c=140kg/cm² dependiendo del espesor del revestimiento, el mismo que está en función de las dimensiones geométricas de la caja del canal. El concreto también se emplea en la modalidad de prefabricado cuando es posible la instalación de plantas para la ejecución de las formas del canal completas o en bloques. INSTALACIONES DE COMPUERTAS Y ACCESORIOS EN UN CANAL DE RIEGO La capacidad máxima del conjunto de compuertas instaladas debe ser similar a la capacidad del canal de derivación, recomendándose que la velocidad de ingreso frente a las compuertas sea de 2m/seg. a 2.50m/seg. Compuertas de emergencia Compuerta de regulación Compuerta de purga del canal desgravador GRACIAS