DISEÑO DE CANALES EN REGIMEN UNIFORME

Son aquéllos en los que el líquido circulante presenta una

superficie libre sobre la cual actúa la presión atmosférica. La

sección transversal no tiene, necesariamente, un perímetro cerrado

y cuando esto sucede, funciona parcialmente lleno.

Entre los conductos libres, podemos citar todos los cursos de agua,

las redes de alcantarillado pluviales y alcantarillados sanitarios,

canales de riego agrícola, canales de navegación y los canales de

conducción de las centrales hidroeléctricas.

* CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIÓN

Los canales de riego de acuerdo a su función tienen la siguiente

clasificación:

• Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o de

derivación, se traza siempre con pendiente mínima.

• Canal de segundo orden.- Llamado también lateral, es aquel

que sale del canal madre; el caudal que ingresa a ellos, es

repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un

canal lateral se conoce como unidad de riego.

• Canal de tercer orden.- Llamado también sub – lateral, nace del

canal lateral, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las

propiedades individuales.

* FÓRMULA DE CÁLCULO

Se aplica la fórmula de Manning:

𝑉 = 𝑅

23⁄ 𝑆

12⁄

𝑛 Donde:

V: Velocidad media del agua, en m/s.

R: Radio hidráulico, en m.

S: Pendiente de la línea de energía, en m/m.

n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

Multiplicando por el área mojada del canal:

𝑄 = 𝐴 𝑅

23⁄ 𝑆

12⁄

𝑛

El coeficiente de Manning depende de varios factores, Cowan

desarrolló un procedimiento para estimar el valor de n el cual

viene dado por la siguiente expresión:

𝑛 = (𝑛0 + 𝑛1 + 𝑛2 + 𝑛3 + 𝑛4) 𝑚5

Donde n0 es el valor del coeficiente de rugosidad para un canal

recto y uniforme, n1 considera el efecto de las rugosidades

superficiales, n2 considera las variaciones en forma y tamaño de la

sección transversal del canal, n3 considera las obstrucciones, n4

considera la vegetación y m5 es un factor de corrección de los

efectos por meandros en el canal. Estos valores se muestran en el

siguiente cuadro:

Ejemplo:

Determinar el coeficiente de rugosidad de Manning en una canal

de tierra, cuya superficie presenta un grado de irregularidad

moderado, su sección transversal es frecuentemente alternante,

además presenta obstrucciones de efecto apreciable, vegetación

alta y apreciable presencia de meandros.

A continuación se presenta algunos valores del coeficiente de

rugosidad para un canal recto y uniforme:

Tipo de cauce y descripción Valor de n

Mínimo Normal Máximo

La pendiente longitudinal (So) del fondo de un canal por lo general

está dada por la topografía y por la altura de energía requerida

para el movimiento del agua. La pendiente también depende del

tipo de proyecto; por ejemplo, los canales utilizados para

abastecimiento de agua, como los utilizados en irrigación (Riego

por gravedad) y proyectos hidroeléctricos requieren un punto de

entrega alto. Por tanto, es conveniente una pendiente pequeña para

mantener en el mínimo posible las pérdidas en elevación.

Los taludes o pendientes laterales (Z; H:V) de un canal dependen

principalmente de la clase de material. El siguiente cuadro muestra

valores recomendados para distintos tipos de material:

En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye

por una curva cuyo radio no debe ser muy grande. Las siguientes

tablas indican radios mínimos, en las cuales B representa el ancho

de la base del canal.

Capacidad del canal Radio mínimo (m)

Hasta 10 m3/s 3 B

De 10 m3/s a 14 m3/s 4 B

De 14 m3/s a 17 m3/s 5 B

De 17 m3/s a 20 m3/s 6 B

De 20 m3/s a más 7 B

Z H:V

Fuente: “International Institute for Land Reclamation and

Improvement”, ILRI, Principios y Aplicaciones de Drenaje, Tomo

IV, Wageningen The Netherlands 1978:

* CRITERIO DE DISEÑO

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. a y b). En los sectores

empinados y estables resultará conveniente incorporar un muro en

el sector exterior (fig. c hasta f).

Para el diseño de canales sólo contamos con la ecuación de

Manning y al menos dos incógnitas: El tirante de agua y el ancho

del canal (o también: el área mojada y el Radio hidráulico).

Por esta razón es que será necesario introducir ciertas condiciones,

basadas principalmente en recomendaciones teórico-prácticas, así

como económicas, que permitan lograr una solución adecuada al

problema de la conducción de agua, según veremos más adelante.

El trazo del canal debe obedecer a criterios de radios mínimos de

curvatura y pendientes mínimas y máximas (esto último,

especialmente en canales no revestidos). Es muy similar, al diseño

geométrico de carreteras, con una única diferencia: la pendiente

siempre es descendente pues el flujo se mueve por gravedad.

En lo posible, el trazado horizontal del canal deberá ser tal que

garantice que su pendiente longitudinal sea paralela a la del

terreno, lo cual se logrará en terrenos de topografía muy uniforme.

Si este es el caso, y especialmente en canales revestidos, la

recomendación es que se utilice el criterio de la Sección de

Máxima Eficiencia, pues es la que por lo general resulta como la

más económica en este tipo de topografía: menor excavación y

menor recubrimiento:

Cuando la topografía es muy irregular, de seguro aparecerán

profundidades para la rasante del canal que estarán asociadas a

sobre-excavaciones que son indeseables en todo caso. En estas

condiciones ya el criterio de máxima eficiencia hidráulica no

estará asociado a la economía, siendo entonces recomendable

utilizar secciones en las que el ancho de la base es menor que el

correspondiente a la sección de máxima eficiencia. De esta forma,

al prevalecer una sección más angosta, el volumen de sobre-

excavación se verá reducido. En la siguiente figura se muestra lo

mencionado:

De esta forma, antes de iniciar el proceso de diseño es conveniente

que hayamos considerado estos aspectos, especialmente en lo que

respecta a si utilizaremos canales revestidos o no pues

generalmente los primeros suelen requerir de una inversión inicial

elevada, pero a mediano y largo plazo el costo de mantenimiento

justifica su selección.

Canales Revestidos Canales No Revestidos

Requieren de Mayor Inversión

Inicial Menores Costos de Construcción Inicial

Requieren de Poco mantenimiento

(bajo costo)

Requieren de Mantenimiento frecuente el

cual es generalmente de costo elevado,

por pérdida de taludes o socavación.

Menores secciones transversales

(área de excavación) al ser menos

rugosas sus superficies.

Mayores secciones transversales,

generadas no sólo por las altas

rugosidades del canal sino también por la

necesidad de utilizar pendientes bajas

para evitar velocidades excesivas.

Disminución de Pérdidas por

Infiltración (si se habla de canales

para riego éste es un factor de gran

importancia)

Mayores pérdidas por Infiltración

Canal sin revestir

Canal revestido

* SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA (MEH)

En términos simples, la sección de Máxima Eficiencia

Hidráulica es aquella para la cual se obtiene un área mojada

mínima para transportar un determinado caudal, con rugosidad,

pendiente y forma geométrica especificada.

De esta forma tendremos que, de lograrse el diseño con la Sección

de Máxima Eficiencia, se podrían minimizar las áreas y

volúmenes de excavación así como las cantidades relacionadas

con la construcción del revestimiento (menor perímetro mojado).

La ecuación que determina la sección de máxima eficiencia

hidráulica es:

𝐵

𝑦= 2 𝑇𝑎𝑛 (

𝜃

2)

Donde:

B: Base del canal.

y: Tirante de agua.

Ɵ: Ángulo que forma el talud con la horizontal (Z = Cot Ɵ)

Z: 0 1/4 1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 3

B/y: 2,00 1,56 1,24 1,00 0,83 0,70 0.61 0,47 0,32

De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella

donde el ángulo que forma el talud con la horizontal es 60°, es

decir:

𝑍 = 1 √3⁄ B/y = 1,15

A continuación se presenta las relaciones geométricas de las

secciones transversales usadas con mayor frecuencia:

* BORDE LIBRE (BL)

Es la distancia vertical entre el extremo superior del canal y la

superficie libre del agua para el caudal de diseño. No existe

ninguna regla fija para el cálculo del borde libre, debido a que las

fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede

originar por diversas causas como por ejemplo, la acción del

viento.

Una práctica común es considerar un borde libre igual a la tercera

parte del tirante para canales no revestidos (BL = 1/3 Y) e igual a

la quinta parte del tirante para canales revestidos (BL = 1/5Y)

El U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda calcular el

borde libre aplicando la relación siguiente:

𝐵𝐿 = √𝐶 𝑌 Donde:

BL: Borde libre, en pies.

C: Igual a 1,5 para caudales menores a 20 p3/s y hasta 2,5 para

caudales del orden de los 3000 p3/s.

La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los

siguientes valores de BL:

Caudal

(m3/s)

C. Revestido

(cm)

C. sin Revestir

(cm)

≤ 0,05 7,5 10

0,05 – 0,25 10 20

0,25 – 0,50 20 40

0,50 – 1,00 25 50

> 1,00 30 60

Máximo Villón sugirió valores de BL en función del ancho de la

base del canal (B):

B (m) BL (m)

Hasta 0,8 0,4

0,8 – 1,5 0,5

1,5 – 3,0 0,6

3,0 – 20,0 1,0

Ejemplo: Un canal rectangular de 4,8 m de ancho, que transporta

agua con un tirante igual a 1,2 m; tiene una pendiente de 0,1%, y

está revestido con mampostería (n=0.017). Se desea aumentar en

lo posible el caudal sin cambiar la pendiente del canal o la forma

de la sección. Las dimensiones de la sección pueden cambiarse,

pero el canal debe contener la misma cantidad de revestimiento

que la condición inicial. Calcular las nuevas dimensiones y el

aumento probable del caudal.

* Solución:

- Aplicando la ecuación de Manning, se calcula el caudal en el

canal en su condición inicial: Q = 9,23 m3/s.

- Se aplica la condición de MEH pero considerando que el canal

debe contener la misma cantidad de revestimiento.