Proyeccion Hidraulica

        CANALES.

        Los canales son el principal medio físico para la conducción de las aguas desde su fuente de origen hacia las áreas de riego.  En algunas zonas, por razones climáticas, topográficas, de accesibilidad, o de costos de mantenimiento entre otras, se usan otros medios como las tuberías o túneles, etc.  Sin embargo, por razones económicas, en prácticamente la totalidad de los proyectos el canal está siempre presente, ya sea en la conducción o en la distribución de las aguas.

        El buen diseño de un canal es, por lo tanto, muy importante para ahorrar costos de construcción, operación, mantenimiento y de pérdidas de agua.  Este diseño queda condicionado por variados factores, pero muy especialmente por las características de permeabilidad de los terrenos que el canal recorre. Desde este punto de vista, se distinguen dos grandes grupos de canales, los revestidos y los que no  requieren revestimiento.  El cálculo de la capacidad de porteo es el mismo para ambos casos, variando solamente un parámetro básico, definido como la "rugosidad".

        Es costumbre en Chile usar como valor  representativo de la rugosidad el coeficiente "n" de Manning, que permite efectuar los cálculos según la siguiente expresión:

[pic 1]

R = S/P

Q = v * S

en que:

                S = área  (m2)

                v = velocidad (m/s^[a])

                Q = caudal  (m3/s)

                R = radio hidráulico, en  m

                P = perímetro mojado, en  m

                J = pendiente, en tanto por uno

                n = coeficiente de rugosidad de Manning

1.        CANALES REVESTIDOS.

        Existe una gran diversidad de materiales que se usan para revestir un canal, distinguiéndose tres grandes grupos de revestimientos:

-        Duros, con materiales como hormigón, asfalto, albañilería o mampostería de piedra o ladrillo, shotcrete, losetas de hormigón, suelo-cemento o plástico.

-        De suelo, que puede ser suelto o compacto, grueso o delgado o también mezclas de suelo y bentonita.

-        De membrana enterrada, que puede ser a base de bentonita, o plástica, o bien asfalto esparcido in situ o prefabricado.

        Los revestimientos más comunes en Chile corresponden a los del primer grupo, en especial el hormigón.  Para ellos se indican a continuación algunos criterios normales de diseño.

1.1        Coeficiente de rugosidad.

        Aún cuando el valor de n no es constante para un determinado material, porque se ha observado que depende del radio hidráulico, se recomiendan los siguientes valores de diseño:

                Hormigón                      :  0,015  a  0,016

                Asfalto                            :  0,015

                Albañilería de piedra         :  0,018

                shotcrete                       :  0,018

        También, es necesario considerar que el coeficiente puede aumentar a través de los años debido al deterioro de las juntas, o crecimiento de vegetación.  Por lo tanto, es muy importante la mantención del canal.  Se ha observado que el crecimiento de las plantas acuáticas puede llegar a incrementar el coeficiente de rugosidad hasta en un  30%.   Desde este punto de vista, el asfalto presenta en algunos casos una desventaja frente al hormigón, por cuanto su superficie negra absorbe más calor y crea un ambiente más propicio para el desarrollo de la vegetación.

        Existen también fórmulas para considerar casos en que el canal tiene diferentes tipos de revestimientos a lo largo de su recorrido.  En este caso, se puede calcular un coeficiente de rugosidad equivalente (Open Channel Hydraulics, Ven Te Chow), o bien realizar análisis independiente por tramos.  Otro aspecto a considerar es el caso de curvas muy  cerradas, para lo cual es usual incrementar el coeficiente de rugosidad.  Se recomienda que, en lo posible, el radio mínimo del eje del canal sea de 3 a 5 veces el ancho superior.

1.2        Pendiente y Sección Transversal.

        Ambas dimensiones están íntimamente ligadas, por cuanto una mayor pendiente permite reducir la sección transversal, pero aumenta la longitud del canal.  Lo usual en canales de riego es buscar la mínima pendiente una vez definida el área de riego. Son comunes las pendientes entre 0,001 y 0,0005.  La pendiente tiene también directa relación con la velocidad, la cual tiene valores máximos y mínimos aceptables según las características del problema.

        Con respecto a la sección transversal, la más económica en cantidad de material es aquella que tenga el menor perímetro mojado, resultando así la semicircular. Sin embargo, por  razones de técnicas constructivas y de empalme hidráulico, las secciones más usadas son las trapeciales y rectangulares.

        Desde el punto de vista constructivo, es necesario determinar si es más económico un talud empinado, que requiere menor cantidad de cortes pero necesita moldajes, o un talud que permita el uso de hormigón colocado como pavimento, sin moldajes, para lo cual el Bureau of Reclamation ha normalizado la relación  H : V = 1,5 : 1.

        Desde el punto de vista hidráulico, se debe asegurar un escurrimiento alejado en al menos un 10% de la crisis, en todas las secciones.  

        Por su parte, la relación entre el ancho de la base y la altura es un problema de carácter económico, variando usualmente entre 1 y 2.

        Otro aspecto importante de considerar es la ubicación de la napa freática, cuando está por sobre el fondo del canal. Es necesario verificar que la presión hidrostática externa no haga colapsar el revestimiento cuando el canal se vacía. La solución consiste en la instalación de drenes, o barbacanas, pero estos elementos pueden significar vías de pérdida de aguas en algunos casos.

1.3        Velocidad del Escurrimiento.

        La velocidad del agua generalmente está limitada por los valores que producen erosión en el revestimiento, lo que depende del tipo de material  en suspensión.  Si no es muy abrasivo, se pueden aceptar 3 a 4 m/s, en tanto que con un agua limpia se puede llegar a 12 m/s sin daños importantes. En este último caso, se requieren exigentes terminaciones en el hormigón, irregularidades no superiores a 1 cm en las superficies, para evitar daños por cavitación.  Sin embargo, cuando el hormigón no es armado se exigen velocidades no superiores a 2,5 m/s por razones estructurales. En caso del asfalto, este límite baja a 1,5 m/s.

        Con respecto a la velocidad mínima, lo que se trata es evitar la depositación de sedimentos y el crecimiento de plantas acuáticas en el canal. Por lo general, esto se cumple en forma aceptable para velocidades superiores a 0,75 m/s.

1.4        Revanchas.

                Las revanchas son necesarias debido a las ondulaciones o eventuales mayores niveles del agua en el canal, que se pueden producir por una diversidad de factores, muchas veces incontrolables e inciertos. Por lo tanto, es muy difícil establecer una norma universal para la determinación de las revanchas. Es usual que varíen entre un 5% y un 30% de la profundidad del agua, con un mínimo del orden de 15 cm. Para seleccionar una revancha en el rango indicado, es necesario tener en consideración el tamaño del canal, la velocidad del agua, las curvas, los posibles aportes extras durante las lluvias, la existencia de obras de descargas de seguridad, las fluctuaciones del nivel debidas a los movimientos de las compuertas, entre otros factores.

1.5        Pérdidas por infiltración.

                Los diferentes tipos de revestimientos no garantizan la impermeabilidad del canal, existiendo algunas fórmulas empíricas para estimar las pérdidas por infiltración. A continuación, se expone la Fórmula de Davis y Wilson, una de las más utilizadas:

        [pic 2]

en que:

        SL =        pérdidas por infiltración (m3 por longitud del canal por día)

        L  =        longitud del canal (m)

        PW =        perímetro mojado (m)

        HW =        altura del agua en el canal (m)

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