En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación.

La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.

Básicamente los canales abiertos se pueden clasificar en dos tipos: Naturales y Artificiales. 

Los canales artificiales a su vez se pueden clasificar en No Erosionables (canales revestidos) y Erosionables (canales de tierra o no revestidos).

Son excavados en terreno natural o relleno y no tienen tratamientos especiales en el perímetro mojado.

  Los conceptos y fórmulas para el

diseño son básicamente los mismos que en el caso de los canales revestidos, con algunas precauciones especiales que dependen del tipo de material en que va excavado el canal.

Conducciones para riego. Drenaje. Estabilización de cauces

fluviales. Canalizaciones de ríos, etc.

Criterios de Diseño

En el diseño de estos canales propensos a la erosión se debe tener cuidado con el problema de la estabilidad de la sección para que esta quede estable, teniendo en cuenta la máxima velocidad y el ángulo de reposo de las partículas que conforman los lados del canal

Deberá de escogerse una inclinación de talud que garantice la estabilidad del mismo. Siempre que sea posible el diseño deberá realizarse por el método de la fuerza tractiva. En canales pequeños o casos especiales podrá hacerse el diseño de la sección de modo que la velocidad del flujo no separe las velocidades permisibles que se indican mas adelante

Taludes recomendados para canales trapeciales

Material     Talud k (k horizontal : 1 vertical) Angulo α [grados]

Roca casi vertical casi 90

Roca fracturada o alterada 1/4            :             1 76,96

Arcilla muy compacta o tierra con1/2 : 1        a      1 : 1

63,43 a 45,0 recubrimiento de concreto

Tierra con recubrimiento de piedra1 : 1

45o tierra para canales grandes

Arcilla firme o tierra para canales1 1/2              :              1

33,69pequeños

Tierra arenosa o suelta 2 : 1 26,56

Arcilla porosa 3 : 1 18,43

Tomada y adoptada de Chow, 1959          

Independientemente del método empleado en el diseño (fuerza tractiva o velocidades permisible), los coeficientes de rugosidad recomendados en canales no revestidos, se muestran a continuación

En canales excavados en material no cohesivo, “n” (coeficiente de rugosidad) se puede determinar con la expresión:

Donde: 

n: Coeficiente de rugosidad de Manning.

: Valor para el diámetro del 75% de las partículas menores, en mm.

Con el fin de disminuir el depósito de sedimentos y crecimiento de vegetación, la velocidad mínima recomendada en canales sin revestir será de 0.40 m/s. Las velocidades máximas permisibles en este tipo de canales en caso de no haber sido diseñadas por el método de la fuerza tractiva, serán las que se muestran en la siguiente tabla:

El diseño de canales sin revestir exige que no se deposite material de suspensión y que la capacidad erosiva del flujo no erosione las paredes y el lecho del canal, para esto existen dos métodos para el diseño de canales sin revestir: El método de la velocidad permisible y el método de la fuerza tractiva, cualquiera de ellos solamente da una guía y no remplaza la experiencia y buen criterio del ingeniero.

En este método, la máxima velocidad permisible, o velocidad no erodable, es la mayor velocidad media que no causa erosión al cuerpo del canal.

Este método depende de 3 factores: Tamaño del canal, Tirante y Material de las paredes del canal.

Aquí se tiene que cumplir con la relación de CAMARGO (relación entre ancho de solera y tirante hidráulico)

Esta velocidad es muy incierta y variable y puede únicamente estimarse por la experiencia y buen criterio. En 1925, Fortier y Escoby, publicaron a bien conocida tabla de velocidades permisibles en canales, la cual es presentada en la tabla 4.4.

Este método se basa en la premisa de que la fuerza tractiva desarrollada por el empuje del agua sobre el perímetro mojado debe ser menor que el valor de cierta fuerza tractiva permisible. El arrastre o fuerza tractiva es principalmente función de las variables del flujo hidráulico, y la fuerza tractiva permisible es primeramente determinada por las propiedades del material del suelo que forma el cuerpo del canal.

Cuando el agua se mueve en un canal, se crea en la dirección del flujo un arrastre o fuerza tractiva, F, que es igual a la componente efectiva de la gravedad en la dirección del movimiento.

F = γ A L So

Donde: γ = es el peso específico del agua. A = es el área de la sección transversal. L = es la longitud del volumen control. So  = es la pendiente del fondo del canal.

Los valores de fuerza tractiva son dados en la tabla (4.4) y son promedios para el fondo como lados del canal ya que esta fuerza no es uniformemente distribuida a lo largo del perímetro mojado.

Esta fuerza es definida como la máxima fuerza tractiva que no causa erosión severa en el fondo y paredes del canal en una superficie nivelada. Para materiales no cohesivos, la fuerza tractiva critica o permisible es determinada del conocimiento del tamaño de partículas (figura 4.4.a) y para materiales cohesivos, los valores de τo pueden ser obtenidos de la figura 4.4.b. Actualmente los canales pueden tolerar fuerzas tractivas mayores que las permisibles, ya que el suelo y el agua conteniendo limo y materia orgánica actúan como aglutinantes y promueven el sellamiento.

Figura 4.6       Ángulo de reposo para materiales no cohesivos (Lane 1955).

Calculo del esfuerzo cortante en la plan tilla o fondo: “Tp”

Calculo del esfuerzo cortante en el talud: “Ts”

El primer grupo de soluciones comprende los métodos de mejoramiento de suelo, por medio de los cuales la susceptibilidad al colapso es eliminada, modificando las propiedades resistentes del suelo mediante la compactación o la cementación de los vínculos entre partículas.

El objetivo principal de estas soluciones es eliminar o disminuir apreciablemente la susceptibilidad al colapso del suelo, bien disminuyendo la porosidad del suelo (compactación) o bien aumentando la resistencia estructural entre las partículas del suelo (métodos físico-químicos). Una de las formas de clasificar los métodos de mejoramiento o estabilización, ha sido precisamente ésta, o sea teniendo en cuenta la acción resultante sobre el suelo

Sin embargo, para el desarrollo y explicación de los diferentes métodos se ha elegido la clasificación de los métodos de estabilización de suelos loéssicos, la cual puede hacerse extensiva a suelos Colapsables:

a) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por compactación.

b) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por modificación de su granulometría.

c) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo por la creación de nuevos contactos cohesivos.

d) Métodos de mejoramiento por medio del reemplazo del suelo colapsable por suelo no colapsable.

e) Métodos de mejoramiento que incorporan elementos resistentes a la tracción dentro del suelo.

f) Geomembranas. g) Métodos de mejoramiento de las propiedades del suelo

por drenaje. h) Corrección de taludes y terraplenes.

Los suelos blandos, pantanosos o con baja capacidad de carga que son sometidos a esfuerzos generados por alguna carga estática o dinámica, representan un riesgo para los canales por su tendencia a deformarse.

Existen mecanismos de falla que provocan las deformaciones, agrietamientos o hundimientos del terreno. Cuando el suelo experimenta un esfuerzo de compresión vertical, se presenta en él una deformación y se generan al mismo tiempo esfuerzos de tensión horizontales.

Un suelo reforzado con Geomalla reduce significativamente su deformación absorbiendo los esfuerzos generados.

La geomalla provee un confinamiento lateral en las partículas del suelo aumentando su resistencia a la tensión

Asociado a suelos arcillosos (arcillas, limos arcillosos, margas)

Los minerales de la arcilla tienen la propiedad de aumentar su volumen cuando se mezclan con agua.

Son suelos que cuando se humedecen aumentan su volumen

Riesgos: Problemas en infraestructuras. Predicción: Estudio geotécnico del suelo; elaborar mapas

de riesgo Prevención: Impermeabilización; imitar el uso del suelo

Hinchamiento del suelo bajo la estructura por aumento de humedad

Variación de volumen debido a modificaciones del Napa Freática

Escasa profundidad de fundación

Diseñar un canal trapezoidal para un caudal de diseño de 10 m3/s. La pendiente del fondo es de 0,00025  y el canal es excavado a través de gravilla fina teniendo un diámetro de partículas de 8 mm. Asuma que las partículas son moderadamente redondeadas y el agua transporta sedimentos finos en una baja concentración.

Dado: 

Q = 10 m3/s;  So = 0.00025

 Material: grava fina, moderadamente redondeada

Tamaño de partícula = 8 mmDeterminar:      b =?,   y = ?

Para grava fina: n = 0.02 Z = 3 Φ = tg-1(1/3) = 18.4º Por la figura 4.6, θ = 24º, a partir de estos datos, 

K = (1 – sen2 Φ/ sen2 θ)1/2 = 0.63 De la figura 4.4.a el esfuerzo tractivo crítico

(permisible) es de 0.15 (lb / ft2) = 7.18 (N / m2), Puesto que el canal es recto, no se hace corrección por alineamiento.

El esfuerzo tractivo permisible para el lado del canal es: 7.18 x 0.63 = 4.52  N / m2 .

Ahora la fuerza tractiva unitaria sobre el talud = 0.76 x 999 x 9.81y x 0.00025 =  1.862y,

Igualando la fuerza tractiva unitaria a la fuerza permisible se tiene. 1.862y = 4.52, ó

Y = 2.43 m.

El ancho del fondo del canal, b, necesario para transportar  10 m3/s puede ser determinado utilizando la ecuación de Manning,

Sustituyendo los valores  de:  n = 0.024 z = 3

y = 2.43 So = 0.00025Q = 10 m3/sresolviendo  para, b: B = 8.24 m se selecciona un borde libre de 0.75 m,

para una profundidad total de 3.2 m. Para una fácil construcción se selecciona  un  b = 8.25 m .

“Si quieres ser sabio, aprende a interrogar razonablemente, a escuchar con atención, a responder serenamente y a callar cuando no tengas nada que decir.”Johann Kaspar Lavater (1741-1801) Filósofo, poeta y teólogo suizo.