República Bolivariana De Venezuela

Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior

Universidad Politecnica Territorial Del Estado Merida

“Kleber Ramirez”

Ejido, Edo. Mérida

Integrantes:Castillo Jesus 20.806.077

Dugarte Jose H. 20.831.194

Márquez Humberto 23.722.461

Uzcategui Adolfo 21.183.823

PNF “Construcción Civil”

Octubre de 2015

Canales Abiertos y Cajones de Paso

Canales Abiertos

Un canal abierto es una conducción abierta a la atmósfera en el que el líquido fluye sometido a la presión atmosférica y movido por la pendiente del propio canal, los canales estarán definidos por una serie de características que le son propias, que son las que se citan a continuación:

- Calado (y).- Es la altura de la lámina de agua en una sección transversal. Hay que medirlo respecto a un plano de referencia que usualmente se coloca en la cota inferior de la sección transversal o solera.

- Anchura superior de la sección (B).- Se define como la anchura de la superficie libre de fluido en el canal.

- Calado medio (ym).- Es el cociente entre el área mojada del canal y la anchura superior de la sección (A/B).

- Área mojada (A).- Es la superficie de la sección transversal que ocupa el agua.

- Perímetro mojado. Es la longitud de la pared del canal que está en contacto con el agua.

- Radio hidráulico (Rh).- Es la relación existente entre el área mojada y el perímetro mojado del canal.

- Pendiente del canal (I).- Se define como la altura que desciende el canal por metro lineal, se puede expresar en % y en tanto por mil.

Tipos de flujo en los canales abiertos

El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.

FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.

EL FLUJO ES NO PERMANENTE si la profundidad cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control.

Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media está definida como el caudal divido por el área de la sección transversal.

FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal.

El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es poco frecuente, el término "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente.

El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica.

Canales Abiertos y sus Propiedades

Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial.

Los canales naturales influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales.

Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica.

Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc..., así como canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados.

La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirán, por tanto, resultados bastantes similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseños.

La canaleta es un canal de madera, de metal, de concreto de mampostería, a menudo soportado en o sobre la superficie del terreno para conducir el agua a través de un de una depresión. La alcantarilla que fluye parcialmente llena, es un canal cubierto con una longitud compartidamente corta instalado para drenar el agua a través de terraplenes de carreteras o de vías férreas. El túnel con flujo a superficie libre es un canal compartidamente largo, utilizado para conducir el agua a través de una colina o a cualquier obstrucción del terreno.

Distribución de velocidades en una sección transversal

Debido a la esencia de la superficie libere y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las losidades en un canal no están del todo distribuidas en su sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad; cuanto más cerca estén las bancas más profundo se encuentra este máximo.

La distribución de secciones de un canal depende también de otros factores, como una forma inusual de la sección, la rugosidad del canal y la presencia de curcas, en una corriente ancha, rápida y poco profunda o en un canal muy liso la velocidad máxima por lo general se encuentra en la superficie libre. La rugosidad del canal causa un incremento en la curvatura de la curva de distribución vertical de velocidades. En una curva la velocidad se incremente de manera sustancial en el lado convexo, debido a la acción centrifuga del flujo. Contrario a la creencia usual, el viento en la superficie tiene muy poco efecto en la distribución de velocidades.

CANALES ABIERTOS ANCHOS.Observaciones hechas en canales muy anchos han mostrado que la distribución de velocidades en la distribución central en esencial es la misma que existiría en un canal rectangular de ancho infinito.En otras palabras bajo esta condición, los lados del canal no tienen prácticamente ninguna influencia en la distribución de velocidades en la distribución central y, por consiguiente el flujo en esta región central puede considerarse como bidimensional en el análisis hidráulico.

LA MEDICION DE LA VELOCIDAD: la sección transversal del canal se divide en franjas verticales por medio de un numero de verticales sucesivas y las velocidades medias en las verticales se determinan midiendo las velocidades a 0.6 de la profundidad en cada vertical o tomando las verticales promedio a 0.2 y a 0.8 de la profundidad cuando se requieren resultados más confiables.

Distribución de presión en una sección de canal

La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo en un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un tubo piezometrito instalado en el punto.

Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, etc... Es claro que el Agua de subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico o superficie del agua.

En efecto la aplicación de la ley hidrostática a la distribución de presiones en la sección transversal es válida solo si los filamentos del flujo no tienen componentes de aceleración en el plano de la sección transversal. Este tipo de flujo se conoce teóricamente como FLUJO PARALELO es decir, aquel cuyas líneas de corriente no tienen curvatura sustancial ni divergencia.

Efecto de la pendiente en la distribución de presiones.

Con referencia a un canal inclinado, recto de ancho unitario y Angulo de pendiente 0, el peso del elemento agua sombreado de longitud dl=wy cos0 de l. La presión debida a este peso es wy cos" 0 de l. la presión unitaria es por consiguiente igual a wy= cos0" y la altura 8 es:

h= y cos al cuadrado0

h= d cos 0

Donde d= cos0, la profundidad de agua medida perpendicularmente desde la superficie.

Nótese que apartar de la geometría la ecuación no se aplica de manera estricta al caso de flujo variado en particular cuando 0 es muy grande en tanto que la ecuación aun es aplicable.

En canales de pendiente alta la velocidad de flujo por lo general es grande y mayor que la velocidad critica. Cuando esta velocidad alcanza cierta magnitud, el agua atrapara aire, produciendo un hinchamiento de su volumen y un incremento en la profundidad.

Diseño de canales

Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros:

- Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica:

- Fotografías aéreas, 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.

Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, 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, procediendo con los siguientes pasos:

- Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final.

- Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m.

- Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea:

Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500.

Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.

Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.

Estructuras que se construyen en los canales

CAPTACIONES. Son las obras que permiten derivar el agua desde la fuente que alimenta el sistema. Esta fuente puede ser una corriente natural, un embalse o el agua subterránea de un acuífero. A continuación se hace un análisis de las captaciones en corrientes naturales.

La captación consta de la bocatoma, el canal de aducción y el tanque sedimentador.

Las magnitudes de los caudales que se captan en las bocatomas son función de los niveles de agua que se presentan inmediatamente arriba de la estructura de control. Como los niveles dependen del caudal Q de la corriente natural, y siendo el caudal variable, entonces las bocatomas no captan un caudal constante. Durante los estiajes captan caudales pequeños y durante las crecientes captan excesos que deben ser devueltos a la corriente lo más pronto posible, ya sea desde el canal de aducción o desde el desarenador.  La sedimentación que se genera en la corriente natural por causa de la obstrucción que se induce por la presencia de la estructura de control es un gran inconveniente en la operación de las bocatomas laterales.

El canal de aducción conecta la bocatoma con el desarenador; tiene una transición de entrada, una curva horizontal y un tramo recto, paralelo a la corriente natural, hasta el desarenador. Es un canal de baja pendiente y régimen tranquilo que se diseña para recibir los caudales de aguas altas que pueden entrar por la toma. En la práctica es preferible que sea de corta longitud y en algunos casos, cuando las condiciones topográficas de la zona de captación lo permiten, se elimina el canal de aducción y el desarenador se incluye dentro de la estructura de la bocatoma. 

COMPUERTAS Y VERTEDEROS. Son estructuras de control hidráulico. Su función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua, con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura, y el aumento de la velocidad aguas abajo.

TRANSICIONES Son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal, o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc. Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas.   Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen  supercrítico, las pérdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico.

SIFONES Y ACUEDUCTOS. Cuando en la trayectoria de un canal se presenta una depresión en el terreno natural se hace necesario superar esa depresión con un sifón o con un puente que se denomina acueducto.

La decisión que se debe tomar sobre cuál de las dos estructuras usar, en un caso determinado depende de consideraciones del tipo económico y de seguridad.

TUNELES Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, por ejemplo una colina, se presenta la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla con un túnel. Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad. Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.

RAMPAS, ESCALONES Y DISIPADORES DE ENERGÍA. Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción.  Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones de rampas y escalones, siguiendo las variaciones del terreno. Las rampas son canales cortos de pendiente fuerte, con velocidades altas y régimen supercrítico; los escalones se forman cuando se colocan caídas al final de tramos de baja pendiente, en

régimen.

Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico. Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una pantalla vertical en disipadores de impacto, por caídas consecutivas en canales escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en disipadores de tanque. 

ESTRUCTURAS DE ENTREGA El tramo final de un canal entrega su caudal a un tanque, a otro canal o a una corriente natural. Estas entregas se hacen siempre por encima del nivel máximo de aguas de la estructura recolectora. Las obras son sencillas cuando la entrega se realiza a un tanque o a un canal porque los niveles de agua en estos últimos son controlados.

Canales de riego por su función

Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:

Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. Canal de segundo orden. Llamados también laterales, son aquellos que salen 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.- Llamados también sub – laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades: el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad parcelaria.

Cajones de Paso

Cuando el curso de agua durante las crecidas tiene un caudal considerable (hasta unos 20 m3/seg.) y arrastra sedimentos de diámetro mayor a 30 cm, es necesario colocar un cajón de paso, el cual consiste en una sección cuadrada o rectangular de concreto armado o metálica y tiene la característica de permitir con mayor facilidad que las alcantarillas, el paso de los sedimentos, así como la limpieza y remoción de los mismos.

En algunos casos de drenaje vial, cuando se va a sustituir una antigua estructura de drenaje, como por ejemplo una batea o una alcantarilla colapsada, es necesario considerar la rasante de la vía, cuya modificación pudiera implicar costos muy elevados. En estas circunstancias el cajón presenta grandes ventajas ya que se puede modificar la altura y el ancho, para lograr un conducto con el área transversal requerida para drenar el caudal de diseño.

Los cajones de paso de acuerdo con el caudal de diseño, pueden ser de una o de varias celdas y de diferentes alturas y anchos, de acuerdo con la disponibilidad de espacio en el sitio, tal como se indica en el esquema:

El cálculo de la capacidad de un cajón de paso, se realiza considerándolo como un canal abierto y puede aplicarse la ecuación de Manning, estimando que deberá pasar a través de él un caudal igual al de la creciente de diseño, más un volumen adicional de un 30 % que será ocupado por los sedimentos en tránsito. Se deberá dejar una luz libre entre el nivel máximo de las aguas y la parte superior

interna del cajón, del orden de 20 a 30 cms, es decir, el cajón no debe trabajar a sección llena.

La parte superior de los cajones de paso debe ir colocada a una cota mínima de 30 cms por debajo de la rasante de la vía con el fin de disminuir el efecto de impacto de la carga viva.

Al igual que las alcantarillas, los cajones de paso deben tener una estructura de entrada y otra de salida, consistente en aletas, estructuras de disipación de energía, etc.

Cajón de paso de dos celdas sobre El Chorreron Vía Jají

Cajones de paso de concreto armado.

Los cajones de paso construidos en concreto armado son los más comunes en nuestro medio, debido a nuestra familiaridad con estos materiales y al costo.

Relaciones geométricas recomendadas en un cajón de concreto armado.

b = B / 25 > H/25 > 10 cm Recubrimiento mínimo = 4 cm.

T mayor de 15 cm, en función del tamaño del cajón. Volumen de concreto = 2 ( B + 2 t ) t + 2 H x t + 2 b

Cajones de paso metálicos

Los cajones metálicos constituyen una variación de los de concreto armado y tienen la ventaja de ser más rápidos y fáciles de construir, ya que no se necesita personal ni equipo especializado.

En general consisten en láminas de aluminio corrugadas que se unen mediante pernos.

Para colocar este tipo de estructuras se debe tener en consideración los efectos que tanto la corrosión como la abrasión pueden tener sobre el metal.

El peso de este tipo de estructura es aproximadamente 1/50 veces el de un cajón de concreto armado equivalente. Esto permite colocarlos con la ayuda de una pequeña grúa y en pocas horas.

Cuando el curso de agua, arrastra muchos sedimentos y a gran velocidad no es conveniente utilizar este tipo de estructura.

Bibliografía

https://www.scribd.com/doc/80399715/Estructuras-de-Drenaje

http://www.monografias.com/trabajos14/canales-abiert/canales-abiert.shtml

http://civilgeeks.com/2010/11/10/clasificacion-del-flujo-en-canales-abiertos/

Simón Arocha R., Cloacas y Drenajes, Ediciones Vega Caracas- Madrid.