DISEÑO DE CANALES

ASPECTOS BÁSICOS

• Es frecuente que el diseño de un canal se plantee teniendo como datos el gasto máximo que debe conducir, la rugosidad de sus fronteras y la pendiente disponible de acuerdo con la topografía del terreno en que se va a construir.

• Con éstos, se puede obtener un solo valor del módulo de sección (A , que se satisface con distintas formas y dimensiones de la sección, unas más eficaces que otras, lo que significa más de una solución. La sección trapecial es la más utilizada en canales abiertos, pero persiste el problema de seleccionar los taludes y la mejor proporción ancho/tirante.

En la práctica, la adaptación del canal a la conformación del terreno original causa un sinnúmero de soluciones, algunas de las cuales se muestran en la figura 7.18, donde intervienen muchos factores, algunos de los cuales se exponen a continuación:

La resistencia al flujo no es la única consideración

Importante en el diseño y, por ello la sección hidráulica

Óptima no siempre representa la mejor solución, sobre

Todo, económica

El área hidráulica es únicamente el área de paso del

Agua; el volumen total de excavación debe también

Incluir libre bordo, bermas, camino de inspección,

Cunetas, etc.

El costo de la excavación no depende únicamente de la cantidad de material removido. Consideraciones como la facilidad de acceso al sitio y remosión del material de desecho pueden ser más importantes que el volumen excavado.

Si el cuerpo del canal tiene que protegerse, el costo del recubrimiento puede ser comparable con el de la excavación o incluso mayor.

Pendientes reducidas y dimensiones amplias de la sección producen además velocidades pequeñas, que pueden ser inferiores a la de sedimentación del material que transporta el agua y propiciar el crecimiento de vegetación, lo que aumenta el costo de mantenimiento.

La elección del ancho o del tirante en canales pequeños carece de importancia, toda vez que la eficiencia hidráulica se ve poco afectada dentro de un intervalo razonable de la proporción ancho/tirante. Ésta suele ser del orden de 2.

En canales grandes conviene limitar el tirante a un máximo de 3 m. para evitar el costo excesivo en la construcción de terraplenes altos en las márgenes, que sean seguros bajo la presión del agua, así como minimizar el peligro de falla de los mismos. Cuando el corte es en roca u otros materiales firmes, no existe gran peligro en utilizar tirantes mayores. La proporción ancho/tirante puede llegar a ser igual a 8.

SELECCIÓN DE TALUD

• Los taludes de un canal trapecial deben garantizar la estabilidad del corte mientras se efectúa la excavación, de manera que si se coloca un recubrimiento de superficie dura, éste no tenga que resistir el total del empuje de los suelos. Si no hay recubrimiento, además de estabilidad se busca resistencia a la erosión y el talud queda también supeditado a las fluctuaciones que pueda tener el nivel del agua durante la operación del canal.

• En muchos casos, el talud queda determinado por la economía en la construcción y, en este sentido, es apropiado considerar los criterios que a continuación se mencionan:

Es común que el talud final en canales con recubrimientos de superficie dura sea menor que en los no recubiertos. Casi cualquier material cohesivo con drenaje libre se puede mantener con talud 1:1 si se recubre.

Los taludes cortados en roca pueden ser verticales si esto es deseable y el corte no es profundo, y pueden no necesitar revestimiento

El talud común de canales de tierra (sin recubrimiento) es 1.5:1 o 2:1; el último es más frecuente. El talud 1:1 se utiliza cuando el canal se excava en materiales cohesivos.

• La selección definitiva del talud apropiado deber de ser soportada por un análisis de su estabilidad, de acuerdo con las propiedades mecánicas del material obtenidas en laboratorio a partir de muestras de suelo tomadas en el sitio. Lane y después Simons y Albertson (1960) determinaron por mediciones directas los valores del angulo de reposo Φ del material y elaboraron las curvas de diseño mostradas a continuación que permiten obtener los diferentes valores en material no cohesivo, seco o saturado, de diámetro medio mayor de 0.1mm y varios grados de redondez.

• Y en la tabla 7.20 se presentan algunos valores del ángulo de reposo Φ para suelos cohesivos de tamaño menor de 5 mm.

• En la práctica, las fuerzas causadas por el flujo pueden destruir el canal si el angulo θ de inclinación del talud es menor que el natural Φ de reposo; es decir, se debe cumplir que θ< Φ, con una diferencia de 0.1 a 0.21 rad (6° a 12°), pero k debe ser múltiple de 0.25.

VELOCIDAD MÍNIMA• En el diseño de canales, recubiertos o no, que conducen agua con

material fino en suspensión debe considerar que la velocidad media del flujo para el caudal mínimo de operación sea mayor o igual que la necesaria para evitar la sedimentación del material transportado. Además, aunque el canal conduzca agua limpia, una velocidad pequeña propicia el crecimiento de vegetación sobre las paredes y fondo o sobre las juntas constructivas del recubrimiento. En este caso, la velocidad mínima necesaria debe también evitar que ello ocurra.

• Existen distintos criterios para elegir la velocidad que evita la sedimentación y el crecimiento de hierbas y plantas.

• En la ex-Unión Soviética se ha usado la ecuación de Levi, cuyos resultados en su forma simplificada se presenta en la figura 7.27, donde es el diámetro medio en mm del sedimento predominante (en peso) del material en suspensión, V la velocidad media del flujo que evita el depósito del sedimento en m/s y el radio hidráulico en m.

• Otros criterios utilizan la concentración de partículas en suspensión y su velocidad de caída. El propuesto por Pedroli se presenta en la figura 7.28, donde se relaciona la concentración en masa (o peso) del sedimento (en la tabla 7.3) en partes por millón, con el parámetro VS/, donde V es la velocidad media del flujo mínima para evitar la sedimentación, la velocidad de caída del sedimento para d= y S la pendiente hidráulica en el canal, la cual en flujo uniforme coincide con la del fondo. El punto definido con ambos parámetros como coordenadas en la figura 7.28 debe quedar a la derecha de la curva para evitar la sedimentación.

• La adopción de una velocidad mínima del flujo también necesaria para evitar el crecimiento de vegetación en el canal. Un tirante mayor de 1.5 a 2.0 m, así como una velocidad mayor de 0.3 m/s cuando el agua es turbia o mayor a 0.5 m/s cuando el agua transporta arena fina en suspensión, son suficientes para evitarlo.

VELOCIDAD MAXIMA

La velocidad máxima de operación en canales de fronteras fijas, con o sin recubrimiento de superficie dura, que conducen agua limpia o con material en suspensión, debe limitarse para evitar el desgaste y la erosión continua del fondo y paredes por la turbulencia, la abrasión y eventualmente la cavitación en la tabla 7.21 se muestran los valores de la velocidad máxima admisible para distintos materiales en el cuerpo del canal.

Cuando no existe recubrimiento o éste no es de superficie dura, el material que forma el cuerpo del canal se ve expuesto a la acción erosiva del agua, debiendo evitarse que el flujo lo arrastre y modifique la sección. La velocidad media con la que se inicia el arrastre del sedimento se conoce como velocidad crítica y depende principalmente del tamaño, clase y peso del material en el cuerpo del canal, además del tirante.

LIBRE BORDO

• Es necesario prever un libre bordo por encima del nivel de la superficie del agua calculada, con el fin de considerar su variación por efecto de oleaje, estimación defectuosa de rugosidad, arrastre de aire, fallas en la operación, ondas de traslación generadas por maniobras bruscas de rechazo o demandad del gasto en canales de fuerza, por cierre o apertura de compuertas intermedias, o por maniobras defectuosas que puedan provocar el desbordamiento.

• La magnitud de libre bordo depende de muchos factores que hacen compleja su selección epro existen algunas reglas sencillas producto de la experiencia. En general, varía entre 5 y 30 por ciento del tirante máximo del canal. Una ecuación empírica general es:

•

• Donde y es el tirante máximo, y es libre bordo, ambos en metros. Para el último se acepta un máximo de 1.20 m.

• Según el U.S. Bureau of Reclamation, el libre bordo de canales revestidos se obtiene de la figura siguiente, en función del gasto. De esta misma figura se obtiene adémas la altura hasta la cual hay que prolongar el revestimiento por encima de la superficie del agua.

• En canales no revestidos o pequeños, el libre bordo queda gobernado por el tamaño, localización, ingreso de aguas pluviales, fluctuaciones del nivel freático, acción del viento, características del suelo. Gradientes de infiltración, requerimientos del camino en operación y disponibilidad del material excavado.

• Según el U.S. Bureau of Reclamation, el libre bordo en canales no revestidos varía desde 0.30 m en canales laterales pequeños de poco tirante y caudal menor de 0.5 , hasta 1.20 m en canales de 85 o más de capacidad y tirantes relativamente grandes. Una estimación preliminar del libre bordo (en m) es posible mediante la expresión:

• Donde y es tirante en m, c es coeficiente que varia desde 1.5 en canales pequeños, hasta 2.5 m en canales grandes.

• El libre bordo sugerido por el Central Board of Irrigation and Power de la India es de 0.5 m cuando Q < 1.5, de 0.75 cuando Q se encuentra entre 1.5 y 85 y de 0.90 m cuando Q > 85 .

• El libre bordo en un acueducto es normalmente menor que en un canal y varia entre 6 y 10 porciento del diámetro; una regla común es que valga un doceavo del diámetro o del ancho del acueducto. Cuando éste es metálico, el libre bordo (en m) resulta de la ecuación

• Donde y es el tirante en el acueducto en m, y V la velocidad del agua en m/s.

• En canales con flujo a régimen supercrítico (F > 1) (como rápidas y canales de descarga de vertedores), desde luego revestidos, el U.S. Bureau of Reclamation recomienda calcular el libre bordo con la ecuación empírica siguiente:

•

• Donde V velocidad del flujo en m/s, tirante en m, libre bordo en m.

CANALES RECUBIERTOS

PROPÓSITO DE UN RECUBRIMIENTO

• El recubrimiento en un canal satisface uno o varios de los objetivos que a continuación se mencionan.

• Permitir la conducción del agua a velocidades mayores en áreas de excavación profunda o difícil y a costo efectivo adecuado.

• Disminuir la filtración y fugas del agua a través del cuerpo del canal y con ello el costo elevado que producen, evitando el anegamiento de los terrenos adyacentes y la necesidad de obras de drenaje costosas.

• Reducir y homogeneizar la rugosidad, con ello las dimensiones de la sección y los volúmenes de excavación.

• Asegurar la estabilidad de la sección y proteger los taludes del intemperismo y de la sección del agua de lluvia.

• Evitar el crecimiento de vegetación y reducir la destrucción de los bordos por distintos animales.

• Reducir los costos anuales de operación y mantenimiento.

TIPOS DE RECUBRIMIENTO

• Los recubrimientos en un canal se construyen de varios tipos de material. El llamado de superficie dura puede ser a base de concreto simple, reforzado o lanzado, de concreto asfáltico, de mampostería (piedra, ladrillo, bloques prefabricados, etc.). En general dichos materiales satisfacen todos los propósitos antes expuestos y ofrecen gran resistencia a la acción erosiva del agua. Otros recubrimientos son a base de materiales granulares, como arcilla, tierra compactada o grava, que ofrecen menor resistencia a la erosión, pero que superpuestos o no sobre una membrana impermeable, disminuyen de modo importante las pérdidas del agua por infiltración.

• Los revestimientos de concreto con refuerzo se utilizan cuando el canal se construye en sitios cuyos cambios de temperatura son extremosos y hay fluctuaciones frecuentes del gasto. El acero de refuerzo sirve para evitar el agrietamiento del concreto como resultado de dichos cambios de temperatura y para controlar las grietas y con ello las filtraciones.

• Los revestimientos de mortero a base de pistola de cemento se usan en canales pequeños, pero el procedimiento deja una superficie rugosa que debe ser terminada a mano si se desea una de primera clase. Además son más propensos a fallas por presión hidrostática.

• El concreto asfáltico es una mezcla de arena, grava, cemento y asfalto realizada a temperaturas de 160°C o más según el tipo de asfalto. Los recubrimientos a base de concreto asfáltico tienen algunas ventajas por su flexibilidad y resistencia a la erosión, si bien fallan por intemperismo.

• El revestimiento de membrana enterrada es también con base en una capa de asfalto de 6 a 9 mm de espesor que se coloca en un canal excavado en exceso de 30 a 50 cm y que después se recubre con una capa de tierra compactada para dar el terminado final de la sección.

• Los recubrimientos de mampostería (piedra, ladrillo, bloques, etc.) se utilizan cuando estos materiales abundan y a mano de obra es económica y recomendable.

• Un canal no se reviste cuando se aloja en suelos arcillosos para los que se reporta poca pérdida de agua, lo cual puede ocurrir de manera natural o compactando plantilla y taludes una vez conformada la sección.

SECCIÓN CON REVESTIMIENTO DE COSTO MÍNIMO

• Una vez que se ha decidido la conveniencia técnica y económica de revestir un canal, un aspecto muy importante en su diseño consiste en elegir las dimensiones de la sección de modo que sea mínimo el costo del material revestido. Dicho costo depende del tipo de material y del volumen empleado; éste último es a su vez función del espesor y del perímetro que se reviste en la sección.

• La función costo por unidad de longitud de canal resulta:

• Donde

• B Costo del material de revestimiento en la plantilla por unidad de área para un espesor prefijado.

• C Costo total del material por unidad de longitud de canal.

• Costo del material en la plantilla por unidad de longitud de canal.

• Costo del material en los taludes por unidad de longitud de canal.

• Z Costo del material en las esquinas por unidad de longitud de de canal

• Costo del material de revestimiento en taludes por unidad de área, para un espesor prefijado.

• Las dimensiones optimas y y b, y del talud k de una sección trapecial se determina calculando y , hasta que la función costo sea la mínima.

• La solución óptima es: