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1. Introduccin:Desde tiempos remotos, la hidrulica ha jugado un papel muy significativo en el desarrollo de la sociedad, es as que las primeras obras de este tipo ayudaron al hombre a establecerse y sostener su desarrollo, estos ejemplos los encontramos desde la antigedad en culturas como La Egipcia, Los Griegos, Los Romanos, Los Incas y muchas otras, all se pueden ver las grandes obras hidrulicas, algunas de las cuales sirven hasta nuestros das. Siendo los canales obras de vital importancia para el desarrollo de nuestro Pas, en el presente trabajo desarrollaremos el diseo de un canal, con diversas obras de arte, las cuales se detallarn a continuacin: Cada Un Partidor Canal RpidaTodos estos elementos sern de concreto y el terreno sobre el cual se efectuarn las diferentes estructuras ser del tipo franco arcilloso. Para efectuar el presente diseo nos basamos en la informacin topogrfica alcanzada en los planos respectivos.

El canal se desarrolla en una extensin de 0.9 Km (aprox.) de longitud y tiene una capacidad de conduccin de 4.25 m3/s, el canal adems deber tener un partidor a fin de repartir el caudal deseado hacia los puntos D y C, siendo este porcentaje de 20% en D y 80% en C. Se captarn las aguas del canal XX, para mejorar el riego de las tierras de cultivo, el desarrollo del presente proyecto supone la solucin al problema a travs de un canal, luego mediante un partidor derivaremos las aguas hacia los dos puntos indicados mediante un canal diseado. Para un tramo colocaremos una cada y para el otro emplearemos una rpida.El proyecto, con fines de riego, se capta del punto A, desde el cual iniciaremos el canal (cota de rasante 2837 msnm, Km 0+000), hasta el punto B del partidor (cota rasante 2835 msnm); luego se derivar a los puntos C (cota rasante 2829 msnm) y D (cota rasante 2801 msnm). El canal ser construido con concreto y las obras de arte sern revestidas de concreto, el terreno es del tipo franco arcilloso.2. Marco TericoEn todo proyecto de irrigacin la parte que comprende el diseo de los canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, no es lo ms importante puesto que el caudal, factor clave en el diseo y el ms importante en un proyecto de riego, es un parmetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climticas, mtodos de riego, etc., es decir mediante la conjuncin de la relacin agua suelo planta y la hidrologa, de manera que cuando se trata de una planificacin de canales.

Los canales de riego debido a sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado tambin canal madre o de derivacin y se le traza siempre con pendiente mnima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. Canal de segundo orden.- Llamados tambin laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub laterales, el rea de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.- Llamados tambin sub laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a travs de las tomas del solar, el rea de riego que sirve un sub lateral se conoce como unidad de rotacin.

De lo anterior de deduce que varias unidades de rotacin constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o codificacin del canal madre o de primer orden.

Elementos bsicos en el diseo de canalesSe consideran algunos elementos topogrficos, 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 informacin bsica: Fotografas areas, para localizar los poblados, caseros, reas de cultivo, vas de comunicacin, etc. Planos topogrficos y catastrales. Estudios geolgicos, salinidad, suelos y dems informacin que pueda conjugarse en el trazo de canales.

RADIOS MINIMOS EN CANALES

En el diseo de canales, el cambio brusco de direccin se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mnimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mnimo no significa ningn ahorro de energa, es decir la curva no ser hidrulicamente ms eficiente, en cambio s ser ms costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo. Las siguientes tablas indican radios mnimos segn la Autoridad Nacional del Agua:

Segn la ANA, existen 3 criterios para calcular el radio minimo, los cuales son en funcin al ancho de la base, al caudal y respecto al espejo de agua. En nuestro caso, utilizaremos el segundo criterio, dado que se nos proporciona como dato el caudal que el canal debe conducir. Por ello, trabajaremos con un radio minimo de 20m. debido a que el caudal es 4.25 m3/s.

OBRAS DE ARTE

DISEO DE RAPIDASLas RAPIDAS son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir:

Una transicin de entrada. Un tramo inclinado Un disipador de energa Una transicin de salida.

La transicin de entrada

Transicion a el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin, un vertedero o un control notch en la entrada. La entrada usada deber ser simtrica con respecto al eje de la rpida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida. Las prdidas de carga a travs de la entrada podran ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeas que no afecten el resultado final. De otra manera, las prdidas a travs de la entrada deben ser calculadas y usadas en la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crtico ocurre donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crtica, debera calcularse dicha velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energa al inicio del tramo inclinado.

El tramo inclinado

Con canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energa en el extremo ms bajo. La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, pero las caractersticas del flujo de otras formas de seccin, deben ser consideradas donde la supresin de ondas es una importante parte del diseo. La economa y facilidad de construccin son siempre consideradas en la eleccin de una seccin. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uas) para mantener la estructura dentro de la cimentacin

Poza Disipadora

Pueden ser salidas con obstculos (baffled outlets) son usadas como disipadores de energa en este tipo de estructuras.

Para estructuras donde la cada vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante despus del salto puede ser obtenida de la figura 2. La cota del nivel de energa, despus del salto hidrulico debera balancearse con la cota del nivel de energa en el canal, aguas abajo de la estructura. Si las cotas no estn balanceadas, debera asumirse una nueva elevacin para el piso de la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energa. Los tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido. Si la revisin indica, el piso de la poza debera ser bajado o tambin se podra asumir un ancho diferente de la poza para luego repetir el procedimiento de diseo. La longitud mnima de poza par a estructuras usadas en canales es normalmente 4 veces d2. Para estructuras en drenes, donde el flujo ser intermitente y de corta duracin, la longitud mnima puede ser alrededor de 3 veces d2. El borde libre recomendado para pozas disipadoras puede ser determinado.

El borde libre es medido sobre el nivel mximo de energa despus del salto hidrulico. Cuando la poza disipadora descarga intermitentemente o descarga hacia un cauce natural u otro no controlado, debera construirse un control dentro de la salida de la poza para proveer el tirante de aguas abajo necesario. El tirante crtico en la seccin de control debe ser usado para determinar el nivel de energa despus. Cuando la poza descarga hacia un canal controlado, el tirante en el canal debe ser calculado con un valor n del canal, reducido en un 20% y este tirante usado para determinar el nivel de energa despus. Si se usa una poza con paredes divergentes, el ngulo de deflexin de los muros laterales no debera exceder el ngulo permitido en los muros de la seccin inclinada.

Se puede usar lloraderos con filtro de grava para aliviar la presin hidrosttica sobre el piso y los muros de la poza disipadora y transicin de la salida. Son provistos bloques en el tramo inclinado y el piso para romper el flujo en chorro y para estabilizar el salto hidrulico.

Si una transicin de salida no es provista, se requerir de un slido umbral terminal (figura5). La cara aguas arriba del umbral debera tener una pendiente 2: 1 y la cara despus debera ser vertical. La cota de la cima del umbral debera ser colocada para proveer el tirante aguas abajo en el salto hidrulico.

Una transicin de salida

Es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energa y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tailwater) al disipador de energa, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transicin de salida de concreto y no hay control del flujo despus en el canal, la transicin puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transicin. El tirante de aguas abajo tambin puede ser provisto por la construccin de un control dentro de la transicin de salida. La prdida de carga en la transicin de salida es despreciable.

DISEO DE CAIDAS VERTICALESLas cadas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan.La finalidad de una cada es conducir agua desde una elevacin alta hasta una elevacin baja y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una cada se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.Una cada vertical esta compuesta por: transicin a la entrada, que une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior con la seccin de control. Seccin de control, es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto se presentan las condiciones crticas. Cada en si, la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada. Poza o colchn amortiguador, es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del agua al pie de la cada. Transicin de salida, une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.

De la Figura anterior se tiene: d1+ hv1+ D1= dc + hvc + he

Donde:d1= tirante normal en el canal superior, m.hv1= carga de velocidad en el canal superior, m.D1= desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la seccin de control, cuyo valor se desprecia por pequeo, m.hvc = carga de velocidad en la seccin de control, m.dc = tirante critico, m.he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m.

El segundo miembro de la ecuacin 10-26, se obtiene suponiendo una seccin de control, se calcula el tirante crtico correspondiente as como la velocidad y la carga de velocidad critica. De acuerdo a las caractersticas de llegada a la seccin, se estiman las perdidas de carga. La suma del segundo miembro se compara con la suma del tirante del canal y su carga de velocidad.La seccin en estudio se tendr que ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean iguales.Una seccin adecuada y ms sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra haciendo los taludes verticales. Del rgimen crtico para secciones rectangulares se tiene:

Donde:dc = tirante critico, m.q = caudal que circula por la seccin, m3/s.b = plantilla de la seccin, m.g = aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2.La carga de velocidad en la seccin critica esta dada por las siguientes ecuaciones:Para canales trapeciales:

Donde:hvc = carga de velocidad en la seccin critica, m.A = rea de la seccin, m.T = ancho de la superficie libre del agua, m.Para canales rectangulares:

Diseo del colchn, para el diseo del colchn, se determina la trayectoria de la vena media de la seccin de control. El diseo del colchn consiste en determinar su longitud, as como la profundidad del mismo.Obtencin de la longitud del colchn, en relacin al perfil de la cada, se tiene la distancia Xn, a la cual va a caer el chorro; es conveniente que este caiga al centro de un colchn de agua que favorezca la formacin de un salto hidrulico, por lo que este colchn tendr una longitud de L= 2*Xn, en la Figura siguiente se muestra el perfil de una cada:Xn se determina de acuerdo a las formulas de cada libre:

Y = F + PDonde: F= distancia vertical entre las rasantes del canal aguas arriba y aguas debajo de la cada,m.P= profundidad del colchn, m.La profundidad del colchn se obtiene con la expresin:Donde: L= longitud del colchn, m.

La salida del colchn puede ser vertical o inclinada, aconsejndose que cuando sea inclinada se haga con un talud en contra pendiente de 4:1 o de 2:1 segn convenga.El diseo estructural consiste en especificar las dimensiones, caractersticas y materiales que constituyen la cada vertical. Se recomienda que esta estructura, cuando se utiliza con gastos pequeos, menores de 2.8 m3/s, no tenga una cada mayor de 2.5 m, de desnivel entre plantilla y plantilla.

3. MEMORIA DEL CALCULO

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