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• Spencer Herrera Leon

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Diseño 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 deberán proyectarse tramos de canal con pendiente suave ligados por estructuras llamadas caídas.

Se recomienda como caída mínima un metro, pero puede haber hasta 4 y 5 metros. Cuando el terreno presenta una pendiente fuerte en una distancia relativamente corta resulta más conveniente usar una rápida que es una estructura de mayor longitud aunque ambas cumplen con la misma función que es la de disipar energía del agua evitando con esto la erocion y permitir velocidades bajas en el canal lo cual facilita la operación. Se describe el método de la velocidad permisible, que junto con el método de la fuerza tractiva, son utilizados comúnmente para el diseño de canales erosionables que se socavan, pero no se sedimentan. Velocidad máxima permisible. Es la mayor velocidad promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal. En la tabla siguiente se muestran las velocidades máximas 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 pequeña pendiente, y con tirantes de hasta 0.90 m.

Las velocidades máximas permitidas de la tabla se refieren a canales rectos. Para canales sinuosos las velocidades a considerar son algo menores. Según Lane, deben aplicarse los siguientes porcentajes de reducción:

5% para canales ligeramente sinuosos 13% para canales moderadamente sinuosos 20% para canales muy sinuosos Tabla 6. Velocidades máximas permisibles, valores de n de Manning y valores correspondientes de fuerza tractiva. Procedimiento para el diseño 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 máxima permisible de acuerdo a la clase de material done se construye el canal (de tabla 6). 2. Se calcula el radio hidráulico (R) con la ecuación de Manning. 3. Se calcula el área mojada requerida para el caudal de diseño y la velocidad permisible determinada (A=Q/V).

4. Se calcula el perímetro mojado (P=A/R). 5. Utilizando las relaciones para A y P, se resuelven simultáneamente para b y y. 6. Se determina el bordo libre y se modifica la sección para hacerla factible desde el punto de vista práctico de construcción y operación (figura 14). 7. Es recomendable determinar los números 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 construirá con una pendiente de 0.000016 y conducirá un gasto de 10 m3/s. El terreno donde se excavará contiene gravas no coloidales y cantos rodados. Solución.

Qué es erosión fluvial? La erosión en un cauce es el descenso del fondo ( o el retroceso de las orillas) como consecuencia de fenómenos de dinámica de fluvial naturales o suscitados por obras del hombre. Tipos de erosión según la distribución espacial: · Erosión General del Fondo: se da por la acción de un flujo de agua caracterizado simplemente por una velocidad media. Ejemplo: Erosión de orillas o márgenes en tramos rectos. · Erosión Local del Fondo: el flujo local presenta una fuerte turbulencia y vórtices, por lo cual este tipo de erosión afecta una pequeña extensión. La erosión local se da por la acción de un flujo más complejo, que en una sección de corriente (vertical u horizontal) requeriría una descripción bidimensional de las velocidades. Ejemplo: Erosión local del orillas en tramos curvos. Tipos de erosión según la distribución temporal: · Erosión Transitoria: es aquella que permanece por un período indeterminado de tiempo y luego desaparece; por ejemplo, el descenso del fondo durante la fase ascendente de una avenida. Cuando crece la avenida y la superficie libre sube, desciende por su parte el fondo de un cauce aluvial. Cuando decrece la avenida y baja la superficie libre, asciende el fondo rellenando el espacio erosionado de forma transitoria. La erosión transitoria puede ser general o local. · Erosión Permanente: es una erosión a largo plazo, ocasionada de forma natural por un desequilibrio geomorfológico o por el hombre. Un río tiene tendencia a la socavación en los tramos altos y a la sedimentación en los tramos bajos como evolución morfológica hacia un perfil de equilibrio. La obra humana que causa más erosión general a largo plazo es la construcción de una presa. La presa interrumpe el transporte sólido por completo, pero modula temporalmente el caudal líquido.

Hay dos clases de erosión: ·

Erosión Progresiva: avanza aguas abajo.

·

Erosión Regresiva: avanza aguas arriba. Canales No Erosionables: Los canales no erosionables son aquellos canales terminados y construidos que pueden resistir la erosión satisfactoriamente. Diseño 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 través de terreno con excavaciones profundas o difíciles en forma económica.

2.

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

3.

Disminuir la infiltración, conservando el agua y reduciendo la sobrecarga en los terrenos adyacentes al canal.

4.

Reducir el costo anual de la operación y mantenimiento.

5.

Asegurar la estabilidad de la sección transversal del canal. En el diseño de canales no erosionables, se tienen en cuenta los siguientes factores:

1.

Material no erosionable y su terminación: La selección del material depende del propósito para el cual va a ser usado el canal, el método de construcción y la disponibilidad y el costo del material MATERIALES NO EROSIONABLES Hormigón Piedra trabajada Acero Fundición Madera Vidrio Plástico

Si el canal está terminado, la máxima velocidad permitida será la velocidad que debería llevar el agua para no causar erosión pero en algunos casos puede ser ignorada, provisto que el agua no llevara arena, gravilla o piedras; pero si el agua

lleva velocidades muy altas ésta tiene una tendencia de levantar bloques alineados y empujarlos fuera de posición. 2.

La velocidad mínima permitida: La velocidad mínima permitida, la velocidad no depositante, es la más baja velocidad que no iniciará sedimentación y no inducirá el crecimiento de plantas acuáticas y musgo. Para el agua que lleva carga de limo o para el flujo sin limo, este factor tiene poca significación excepto por su efecto en el crecimiento de plantas. Una velocidad media de 2 a 3 pies por segundo puede usarse cuando el porcentaje de limo presente en el canal es pequeño, y una velocidad media menor de 2.5 pies por segundo prevendrá un crecimiento de vegetación que disminuiría seriamente la capacidad de arrastre del canal.

3.

Pendientes del canal: La pendiente longitudinal del fondo del canal está gobernada por la topografía y la carga requerida para el flujo de agua, y en muchos casos el propósito del canal. Por ejemplo, canales de irrigación, suministro de agua, excavación hidráulica, y otros, requieren un nivel alto en el punto de entrega; por lo cual es deseable una pequeña pendiente con el fin de mantener a un mínimo la pérdida en elevación. Las pendientes laterales de un canal dependen de la clase del material, en la siguiente tabla se dan unos valores recomendados: MATERIALES Roca Estiércol y suelos de turba Arcilla dura o tierra con protección de hormigón Tierra con protección rocosa, o tierra para canales grandes Arcilla firme o tierra para zanjas pequeñas Tierra arenosa suelta Greda arenosa o arcilla porosa

Pendientes Laterales Casi vertical 1/4:1 1/2:1 a 1:1 1:1 1,5:1 2:1 3:1

Otros factores que se deben considerar al determinar las pendientes con los métodos de construcción, la condición de las pérdidas de filtración, cambios climáticos, tamaño del canal, etc. Para canales revestidos, el U.S. Bureau of Reclamation ha estado considerando la estandarización con una pendiente de 1.5:1 para los tamaños usuales de canales,

la ventaja de ésta pendiente es que es suficientemente plana para permitir el uso práctico de cualquier tipo de revestimiento o tratamientos de terminación. 4.

Altura Libre: es la distancia vertical desde la parte superior del canal a la superficie del agua en la condición de diseño. Su propósito es prevenir el derrame sobre el revestimiento o el canal por fluctuaciones en la superficie del agua causadas por: oleaje producido por el viento, mareas, saltos hidráulicos, sobreelevación del agua ocasionada por su paso por curvas a alta velocidad, la intercepción del escurrimiento debido a tormentas por el canal, la ocurrencia de tirantes mayores que los de diseño debidos a la sedimentación o a un aumento en el factor de fricción, o no operación temporal del sistema de canales. La altura libre en un canal sin revestir o lateral, normalmente será gobernada por las consideraciones de tamaño del canal y ubicación, el flujo entrante de aguas lluvia, y fluctuaciones del nivel del agua causadas por controles, acción del viento, características del suelo, gradiente de precolación, requerimientos de operación de caminos y disponibilidad del material excavado. El Bureau recomienda que estimados preliminares de la altura libre requeridos bajo condiciones ordinarias sean hechos de acuerdo a la siguiente fórmula:

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 cúbicos por segundo (cfs) hasta 2.5 para una capacidad del canal de 3000 cfs o más.

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

Para canales revestidos o laterales, la altura del revestimiento sobre la superficie del agua dependerá de varios factores: tamaño del canal, velocidad del agua, curvatura del alineamiento, condición de los afluentes de agua lluvia o drenajes, fluctuaciones en el nivel del agua debido a la operación de las estructuras de regulación del flujo, y acción del viento. El U.S. Bureau of Reclamation ha preparado curvas para alturas libres promedio y alturas de banco o riberas en relación a las capacidades, como se muestra en la figura:

Bordo libre para las márgenes del canal y para superficies duras, membranas enterradas y revestimientos de tierra, U.S. Bureau of Reclamation (Anónimo 1963).

5.

La mejor sección hidráulica: es aquella sección del canal que tiene el menor perímetro mojado para un área dada tiene el transporte máximo. Una sección del canal debe ser diseñada para la mejor eficiencia hidráulica pero debe ser modificada para su mejor practicabilidad. En el siguiente cuadro se muestran las mejores secciones hidráulicas:

Sección transversal Trapezoide, mitad de un hexágono Rectángulo, mitad de un cuadrado Triángulo, mitad de un cuadrado

Área

Perímetro mojado

A

P

1.73 y2

3.46 y

0.500y

2.31 y

0.750 y

2 y2

4y

0.500 y

2y

Y

y2

2.83 y

0.354 y

2y

0.500 y

Πy

0.500 y

2y

3.77 y

0.500 y

2.83 y

0.667 y

2.98 y

0,468 y

1,92 y

0,728 y

Semicírculo 0.500Πy2 Parábola T = 1.89 y2 (2)^1/2*y Catenaria hidrostática 1.40 y2

Radio Ancho Hidráulico Superior Profundidad R T D

Factor de sección Z

0.250 Пy 0.250 Пy2.5

1.19 y2.5

6.

Determinación de las dimensiones de la sección: la determinación de las dimensiones de la sección para canales no erosionables incluye los siguientes pasos:

·

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

·

Calcular el factor de sección AR2/3:

AR2/3 = Ø = 1.49 en unidades inglesas y 1 en unidades SI. · Sustituir en la ecuación anterior las expresiones para A y R (obtenidas del cuadro mostrado a continuación), y resolver la profundidad. Si hay otras incógnitas, tales como b y z de una sección trapezoidal, entonces se asumen valores para éstas incógnitas y se resuelve la ecuación para la profundidad. Las dimensiones finales de la sección se deciden sobre la base de eficiencia hidráulica y practicabilidad. Para canales revestidos, la sección trapezoidal es adoptada comúnmente, en la siguiente figura el U.S. Bureau of Reclamation ha

desarrollado curvas de la experiencia, las cuales se pueden utilizar como una guía para seleccionar las dimensiones apropiadas de la sección.

Elementos geométricos de las secciones del canal. · Si se requiere la mejor sección hidráulica, se toman los valores de A y R obtenidos de la gráfica mostrada a continuación y resolver la ecuación para profundidad.

Curvas de la experiencia mostrando el ancho del fondo y la profundiad de canales revestidos. (U.S. Bureau of Reclamation). · Para el diseño de canales de irrigación, la sección del canal es a veces proporcionada por reglas empíricas para el suministro de la altura total de agua en pies:

A: Área con agua en ft3. Para una sección trapezoidal: X = 4 – z X: relación ancho-profundidad b/y Z: proyección horizontal de la pendiente a 1 ft. Vertical. · Controlar la velocidad mínima permitida si el agua lleva limo. · Agregar una altura libre apropiada, a la profundidad de la sección del canal. BIBLIOGRAFÍA

·

MARTÍN, Vide Juan Pedro. Ingeniería Fluvial. Editorial escuela Colombiana de Ingeniería. Santa Fe de Bogotá. 1997.

·

CHOW, Ven Te. Hidráulica de Canales Abiertos. Editorial Diana. Primera Edición. México, D.F. 1982

·

FRENCH, H. Richard. Hidráulica de Canales Abiertos. Primera Edición en español. Editorial McGraw-Hill. México. 1988. Karol Palencia Penagos