8/10/2019 Diseo de Canales Erosionables Pero No Sedimentables

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Diseo de canales erosionables pero no sedimentables

CAIDAS. Cuando el terrreno natural por el cul debe pasar un canal, tiene una pendiente muy

fuerte, para evitar velocidades excecivas debern proyectarse tramos de canal con pendientesuave ligados por estructuras llamadas cadas.

Se recomienda como cada mnima un metro, pero puede haber hasta 4 y 5 metros.

Cuando el terreno presenta una pendiente fuerte en una distancia relativamente corta resulta ms

conveniente usar una rpida que es una estructura de mayor longitud aunque ambas cumplen con

la misma funcin que es la de disipar energa del agua evitando con esto la erocion y permitir

velocidades bajas en el canal lo cual facilita la operacin.

Se describe el mtodo de la velocidad permisible, que junto con el mtodo de la fuerza tractiva,

son utilizados comnmente para el diseo de canales erosionables que se socavan, pero no se

sedimentan.

Velocidad mxima permisible. Es la mayor velocidad promedio que no causar erosin en el

cuerpo del canal. En la tabla siguiente se muestran las velocidades mximas permisibles para

distintos materiales, recomendadas por Fortier y Scobey y los valores correspondientes de fuerza

tractiva unitaria (U.S.B.R.).

Los valores de esta tabla son para canales bien conformados, de pequea pendiente, y con

tirantes de hasta 0.90 m.

Las velocidades mximas permitidas de la tabla se refieren a canales rectos. Para canales sinuosos

las velocidades a considerar son algo menores. Segn Lane, deben aplicarse los siguientes

porcentajes de reduccin:

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5% para canales ligeramente sinuosos

13% para canales moderadamente sinuosos

20% para canales muy sinuosos

Tabla 6. Velocidades mximas permisibles, valores de n de Manning y valores correspondientes defuerza tractiva. Procedimiento para el diseo de canales erosionables sin carga de sedimento.

1. Se determinan el coeficiente de rugosidad de Manning (n, de tabla 3), pendiente del talud (z, de

tabla 4) y la velocidad mxima permisible de acuerdo a la clase de material done se construye el

canal (de tabla 6).

2. Se calcula el radio hidrulico (R) con la ecuacin de Manning.

3. Se calcula el rea mojada requerida para el caudal de diseo y la velocidad permisible

determinada (A=Q/V).

4. Se calcula el permetro mojado (P=A/R).

5. Utilizando las relaciones para A y P, se resuelven simultneamente para b y y.

6. Se determina el bordo libre y se modifica la seccin para hacerla factible desde el punto de vista

prctico de construccin y operacin (figura 14).

7. Es recomendable determinar los nmeros de Froude y Reynolds para verificar la naturaleza del

flujo.

Ejemplo.

Calcule el ancho de la base de un canal y el tirante para un canal trapezoidal que se construir con

una pendiente de 0.000016 y conducir un gasto de 10 m3/s. El terreno donde se excavar

contiene gravas no coloidales y cantos rodados.

Solucin.

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Qu es erosin fluvial?

La erosin en un cauce es el descenso del fondo ( o el retroceso de las orillas)como consecuencia de fenmenos de dinmica de fluvial naturales o suscitadospor obras del hombre.

Tipos de erosin segn la distribucin espacial:

Erosin General del Fondo: se da por la accin de un flujo de agua caracterizadosimplemente por una velocidad media. Ejemplo: Erosin de orillas o mrgenes entramos rectos.

Erosin Local del Fondo: el flujo local presenta una fuerte turbulencia y vrtices,por lo cual este tipo de erosin afecta una pequea extensin. La erosin local seda por la accin de un flujo ms complejo, que en una seccin de corriente

(vertical u horizontal) requerira una descripcin bidimensional de lasvelocidades. Ejemplo: Erosin local del orillas en tramos curvos.

Tipos de erosin segn la distribucin temporal:

Erosin Transitoria: es aquella que permanece por un perodo indeterminado detiempo y luego desaparece; por ejemplo, el descenso del fondo durante la faseascendente de una avenida. Cuando crece la avenida y la superficie libresube, desciende por su parte el fondo de un cauce aluvial. Cuando decrece laavenida y baja la superficie libre, asciende el fondo rellenando el espacio

erosionado de forma transitoria.

La erosin transitoria puede ser general o local.

Erosin Permanente: es una erosin a largo plazo, ocasionada de forma naturalpor un desequilibrio geomorfolgico o por el hombre. Un ro tiene tendencia a lasocavacin en los tramos altos y a la sedimentacin en los tramos bajos comoevolucin morfolgica hacia un perfil de equilibrio. La obra humana que causams erosin general a largo plazo es la construccin de una presa. La presainterrumpe el transporte slido por completo, pero modula temporalmente el

caudal lquido.

Hay dos clases de erosin:

Erosin Progresiva: avanza aguas abajo.

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Erosin Regresiva: avanza aguas arriba.

Canales No Erosionables:

Los canales no erosionables son aquellos canales terminados y construidos que

pueden resistir la erosin satisfactoriamente.

Diseo De Canales No Erosionables

Los canales no erosionables se construyen por las siguientes cinco razones:

1. Permitir el transporte de agua a altas velocidades a travs de terreno conexcavaciones profundas o difciles en forma econmica.

2. Permitir el transporte de agua a alta velocidad con un costo reducido de

construccin.

3. Disminuir la infiltracin, conservando el agua y reduciendo la sobrecarga en losterrenos adyacentes al canal.

4. Reducir el costo anual de la operacin y mantenimiento.

5. Asegurar la estabilidad de la seccin transversal del canal.

En el diseo de canales no erosionables, se tienen en cuenta los siguientes

factores:1. Material no erosionable y su terminacin: La seleccin del material depende

del propsito para el cual va a ser usado el canal, el mtodo de construccin y ladisponibilidad y el costo del material

MATERIALES NO EROSIONABLESHormign

Piedra trabajadaAcero

FundicinMaderaVidrio

Plstico

Si el canal est terminado, la mxima velocidad permitida ser la velocidad quedebera llevar el agua para no causar erosin pero en algunos casos puede serignorada, provisto que el agua no llevara arena, gravilla o piedras; pero si el agua

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lleva velocidades muy altas sta tiene una tendencia de levantar bloquesalineados y empujarlos fuera de posicin.

2. La velocidad mnima permitida: La velocidad mnima permitida, la velocidadno depositante, es la ms baja velocidad que no iniciar sedimentacin y no

inducir el crecimiento de plantas acuticas y musgo. Para el agua que llevacarga de limo o para el flujo sin limo, este factor tiene poca significacin exceptopor su efecto en el crecimiento de plantas. Una velocidad media de 2 a 3 pies porsegundo puede usarse cuando el porcentaje de limo presente en el canal espequeo, y una velocidad media menor de 2.5 pies por segundo prevendr uncrecimiento de vegetacin que disminuira seriamente la capacidad de arrastre delcanal.

3. Pendientes del canal: La pendiente longitudinal del fondo del canal estgobernada por la topografa y la carga requerida para el flujo de agua, y en

muchos casos el propsito del canal. Por ejemplo, canales de irrigacin,suministro de agua, excavacin hidrulica, y otros, requieren un nivel alto en elpunto de entrega; por lo cual es deseable una pequea pendiente con el fin demantener a un mnimo la prdida en elevacin.

Las pendientes laterales de un canal dependen de la clase del material, en lasiguiente tabla se dan unos valores recomendados:

MATERIALESPendientesLaterales

Roca Casi verticalEstircol y suelos de turba 1/4:1

Arcilla dura o tierra con proteccin de hormign 1/2:1 a 1:1Tierra con proteccin rocosa, o tierra para canalesgrandes 1:1

Arcilla firme o tierra para zanjas pequeas 1,5:1

Tierra arenosa suelta 2:1

Greda arenosa o arcilla porosa 3:1

Otros factores que se deben considerar al determinar las pendientes con losmtodos de construccin, la condicin de las prdidas de filtracin, cambiosclimticos, tamao del canal, etc.

Para canales revestidos, el U.S. Bureau of Reclamation ha estado considerando laestandarizacin con una pendiente de 1.5:1 para los tamaos usuales de canales,

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la ventaja de sta pendiente es que es suficientemente plana para permitir el usoprctico de cualquier tipo de revestimiento o tratamientos de terminacin.

4. Altura Libre: es la distancia vertical desde la parte superior del canal a lasuperficie del agua en la condicin de diseo. Su propsito es prevenir el derrame

sobre el revestimiento o el canal por fluctuaciones en la superficie del aguacausadas por: oleaje producido por el viento, mareas, saltos hidrulicos,sobreelevacin del agua ocasionada por su paso por curvas a alta velocidad, laintercepcin del escurrimiento debido a tormentas por el canal, la ocurrencia detirantes mayores que los de diseo debidos a la sedimentacin o a un aumento enel factor de friccin, o no operacin temporal del sistema de canales.

La altura libre en un canal sin revestir o lateral, normalmente ser gobernada porlas consideraciones de tamao del canal y ubicacin, el flujo entrante de aguaslluvia, y fluctuaciones del nivel del agua causadas por controles, accin del

viento, caractersticas del suelo, gradiente de precolacin, requerimientos deoperacin de caminos y disponibilidad del material excavado. El Bureaurecomienda que estimados preliminares de la altura libre requeridos bajocondiciones ordinarias sean hechos de acuerdo a la siguiente frmula:

F =

F : Altura libre en pies.

Y : Profundidad del agua en el canal en pies.

C : Coeficiente variado desde 1.5 para una capacidad del canal de 20 pies cbicospor segundo (cfs) hasta 2.5 para una capacidad del canal de 3000 cfs o ms.

Seccin tipo de revestimiento de concreto usada en el All-American Canal.

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Para canales revestidos o laterales, la altura del revestimiento sobre la superficiedel agua depender de varios factores: tamao del canal, velocidad del agua,curvatura del alineamiento, condicin de los afluentes de agua lluvia o drenajes,fluctuaciones en el nivel del agua debido a la operacin de las estructuras deregulacin del flujo, y accin del viento.

El U.S. Bureau of Reclamation ha preparado curvas para alturas libres promedioy alturas de banco o riberas en relacin a las capacidades, como se muestra en lafigura:

Bordo libre para las mrgenes del canal y para superficies duras, membranas enterradas yrevestimientos de tierra, U.S. Bureau of Reclamation (Annimo 1963).

5. La mejor seccin hidrulica: es aquella seccin del canal que tiene el menorpermetro mojado para un rea dada tiene el transporte mximo. Una seccin delcanal debe ser diseada para la mejor eficiencia hidrulica pero debe sermodificada para su mejor practicabilidad.

En el siguiente cuadro se muestran las mejores secciones hidrulicas:

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Seccintransversal

rea

A

Permetromojado

P

RadioHidrulico

R

AnchoSuperior

TProfundidad

D

Factor deseccin

ZTrapezoide,

mitad de unhexgono 1.73 y2 3.46 y 0.500y 2.31 y 0.750 yRectngulo,mitad de un

cuadrado 2 y2 4 y 0.500 y 2 y YTringulo,

mitad de uncuadrado y2 2.83 y 0.354 y 2 y 0.500 y

Semicrculo 0.500y2 y 0.500 y 2 y 0.250 y 0.250 y2.5Parbola T =

(2)^1/2*y 1.89 y2 3.77 y 0.500 y 2.83 y 0.667 y

Catenariahidrosttica 1.40 y2 2.98 y 0,468 y 1,92 y 0,728 y 1.19 y2.5

6. Determinacin de las dimensiones de la seccin: la determinacin de lasdimensiones de la seccin para canales no erosionables incluye los siguientespasos:

Recoger toda la informacin necesaria, para estimar el valor de n o C, para elmaterial de revestimiento dado.

Calcular el factor de seccin AR2/3

:

AR2/3=

= 1.49 en unidades inglesas y 1 en unidades SI.

Sustituir en la ecuacin anterior las expresiones para A y R (obtenidas del

cuadro mostrado a continuacin), y resolver la profundidad. Si hay otrasincgnitas, tales como b y z de una seccin trapezoidal, entonces se asumenvalores para stas incgnitas y se resuelve la ecuacin para la profundidad. Lasdimensiones finales de la seccin se deciden sobre la base de eficienciahidrulica y practicabilidad. Para canales revestidos, la seccin trapezoidal esadoptada comnmente, en la siguiente figura el U.S. Bureau of Reclamation ha

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desarrollado curvas de la experiencia, las cuales se pueden utilizar como una guapara seleccionar las dimensiones apropiadas de la seccin.

Elementos geomtricos de las secciones del canal.

Si se requiere la mejor seccin hidrulica, se toman los valores de A y Robtenidos de la grfica mostrada a continuacin y resolver la ecuacin paraprofundidad.

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Curvas de la experiencia mostrando el ancho del fondo y la profundiad decanales revestidos. (U.S. Bureau of Reclamation).

Para el diseo de canales de irrigacin, la seccin del canal es a vecesproporcionada por reglas empricas para el suministro de la altura total de aguaen pies:

A: rea con agua en ft3.

Para una seccin trapezoidal: X = 4z

X: relacin ancho-profundidad b/y

Z: proyeccin horizontal de la pendiente a 1 ft. Vertical.

Controlar la velocidad mnima permitida si el agua lleva limo.

Agregar una altura libre apropiada, a la profundidad de la seccin del canal.

BIBLIOGRAFA

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MARTN, Vide Juan Pedro. Ingeniera Fluvial. Editorial escuela Colombianade Ingeniera. Santa Fe de Bogot. 1997.

CHOW, Ven Te. Hidrulica de Canales Abiertos. Editorial Diana. PrimeraEdicin. Mxico, D.F. 1982

FRENCH, H. Richard. Hidrulica de Canales Abiertos. Primera Edicin enespaol. Editorial McGraw-Hill. Mxico. 1988.

Karol Palencia Penagos