- Canales de riego por su
función - Elementos básicos en el
diseño de canales - Sección
Hidráulica Optima - Diseño de
secciones hidráulicas
En un proyecto de
irrigación la parte que comprende el diseño 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 más importante puesto que el caudal,
factor clave en el diseño y el más importante
en un proyecto de riego, es un parámetro que se
obtiene sobre la base del tipo de suelo,
cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir
mediante la conjunción de la relación agua
– suelo – planta y la hidrología, de
manera que cuando se trata de una planificación de canales, el
diseñador tendrá una visión mas amplia y
será mas eficiente, motivo por lo cual el ingeniero
agrícola destaca y predomina en un proyecto de
irrigación.- Generalidades.-
- Canales de
riego por su función.-
Los canales de riego por sus diferentes funciones
adoptan las siguientes denominaciones:
- Canal de primer orden.- Llamado también canal
madre o de derivación y se le traza siempre con
pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado
ya que por el otro lado da con terrenos altos. - Canal de segundo orden.- Llamados también
laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal
que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub –
laterales, el área de riego que sirve un lateral se
conoce como unidad de riego. - Canal de tercer orden.- Llamados también sub
– laterales y nacen de los canales laterales, el caudal
que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades
individuales a través de las tomas del solar, el
área de riego que sirve un sub – lateral se conoce
como unidad de rotación.
De lo anterior de deduce que varias unidades de
rotación constituyen una unidad de riego, y varias
unidades de riego constituyen un sistema de
riego, este sistema adopta el nombre o codificación del canal madre o de primer
orden.
Se consideran algunos elementos topográficos,
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
información básica: - Fotografías aéreas, para localizar los
poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías
de comunicación, etc. - Planos topográficos y catastrales.
- Estudios geológicos, salinidad, suelos y
demás información que pueda conjugarse en el
trazo de canales.
Una vez obtenido los datos precisos,
se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el
cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes
necesarios, obteniéndose finalmente el trazo
definitivo.
En el caso de no existir información
topográfica básica se procede a levantar el
relieve del
canal, procediendo con los siguientes pasos:
- Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona,
anotándose todos los detalles que influyen en la
determinación de un eje probable de trazo,
determinándose el punto inicial y el punto
final. - Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con
una brigada topográfica, clavando en el terreno las
estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con
teodolito, posteriormente a este levantamiento se
nivelará la poligonal y se hará el levantamiento
de secciones transversales, estas secciones se harán de
acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta
distorsión de relieve, la sección se hace a cada
5 m, si el terreno no muestra muchas
variaciones y es uniforme la sección es máximo a
cada 20 m. - Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al
trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del
plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la
precisión que se desea:
- Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%,
se recomienda escala de 1:500. - Terrenos con pendiente transversal menor a 25%,
se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.
- Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%,
- Radios mínimos en canales.- En el
diseño de canales, el cambio
brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo
radio no debe
ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado
que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no
significa ningún ahorro de
energía, es decir la curva no será
hidráulicamente más eficiente, en cambio
sí será más costoso al darle una mayor
longitud o mayor desarrollo.
Las siguientes tablas indican radios mínimos
según el autor o la fuente:
Tabla DC01. Radio mínimo en
canales abiertos para Q > 10 m3/s
Capacidad del | Radio |
Hasta 10 m3/s | 3 * ancho de la base |
De 10 a 14 m3/s | 4 * ancho de la base |
De 14 a 17 m3/s | 5 * ancho de la base |
De 17 a 20 m3/s | 6 * ancho de la base |
De 20 m3/s a mayor | 7 * ancho de la base |
Los radios mínimos deben |
Fuente: "International Institute For Land Reclamation
And Improvement" ILRI, Principios y
Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands
1978.
Tabla DC02. Radio mínimo en
canales abiertos en función del espejo de
agua
CANALES DE | CANALES DE | ||
Tipo | Radio | Tipo | Radio |
Sub – canal | 4T | Colector principal | 5T |
Lateral | 3T | Colector | 5T |
Sub – lateral | 3T | Sub – colector | 5T |
Siendo T el ancho superior del |
Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación
de Canales, Zona Piloto Ferreñafe" Tomo II/ 1- Proyecto
Tinajones – Chiclayo 1984.
Tabla DC03. Radio mínimo en canales
abiertos para Q < 20 m3/s
Capacidad del | Radio |
20 m3/s | 100 m |
15 m3/s | 80 m |
10 m3/s | 60 m |
5 m3/s | 20 m |
1 m3/s | 10 m |
0,5 m3/s | 5 m |
Fuente: Ministerio de Agricultura
y Alimentación, Boletín
Técnico N- 7 "Consideraciones Generales sobre Canales
Trapezoidales" Lima 1978.
Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el
radio mínimo que más se ajuste a nuestro
criterio.
- Elementos de una curva.-
A | = | Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas |
C | = | Cuerda larga, es la cuerda que sub – |
ß | = | Angulo de deflexión, formado en el |
E | = | External, es la distancia de PI a la curva |
F | = | Flecha, es la longitud de la perpendicular |
G | = | Grado, es el ángulo central. |
LC | = | Longitud de curva que une PC con PT. |
PC | = | Principio de una curva. |
PI | = | Punto de inflexión. |
PT | = | Punto de tangente. |
PSC | = | Punto sobre curva. |
PST | = | Punto sobre tangente. |
R | = | Radio de la curva. |
ST | = | Sub tangente, distancia del PC al PI. |
- Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del
canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho
trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000
para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido
vertical, normalmente la relación entre la escala
horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del
perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado
transparente color verde por
ser más práctico que el cánson y
además el color verde permite que se noten las
líneas milimétricas en las copias
ozalid.
Para el diseño de la rasante se debe tener en
cuenta:
- La rasante se debe efectuar sobre la base de una
copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe
trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz
y nunca sobre el original. - Tener en cuenta los puntos de captación
cuando se trate de un canal de riego y los puntos de
confluencia si es un dren. - La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo
posible igual a la pendiente natural promedio del terreno,
cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se
proyectan caídas o saltos de agua. - Para definir la rasante del fondo se prueba con
diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la
velocidad
obtenida es soportada por el tipo de material donde se
construirá el canal. - El plano final del perfil longitudinal de un canal,
debe presentar como mínimo la siguiente
información. - Kilometraje
- Cota de terreno
- Cota de rasante
- Pendiente
- Indicación de las deflexiones del trazo con
los elementos de curva - Ubicación de las obras de arte
- Sección o secciones hidráulicas del
canal, indicando su kilometraje - Tipo de suelo
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Sección típica de un canal
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Donde:
T = Ancho superior del canal
b = Plantilla
z = Valor
horizontal de la inclinación del talud
C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m.,
según el canal sea
de tercer, segundo o primer orden
respectivamente.
V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4
y 6 m., según el
canal sea de tercer, segundo o primer orden
respectivamente.
H = Altura de caja o profundidad de rasante del
canal.
En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en
ambos márgenes, según las necesidades del canal,
igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no
será necesaria, dependiendo de la intensidad del
trafico.
Determinación de Máxima Eficiencia
Hidráulica.Se dice que un canal es de máxima eficiencia
hidráulica cuando para la misma área y
pendiente conduce el mayor caudal, ésta
condición está referida a un perímetro
húmedo mínimo, la ecuación que determina
la sección de máxima eficiencia
hidráulica es:siendo q el ángulo que forma el talud
con la horizontal, arctan (1/z)Determinación de Mínima
Infiltración.Se aplica cuando se quiere obtener la menor
pérdida posible de agua por infiltración en
canales de tierra,
esta condición depende del tipo de suelo y del tirante
del canal, la ecuación que determina la mínima
infiltración es:La siguiente tabla presenta estas condiciones,
además del promedio el cual se recomienda.Tabla DC04. Relación
plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia,
mínima infiltración y el promedio de
ambas.Talud
Angulo
Máxima
EficienciaMínima
InfiltraciónPromedio
Vertical
90°00´
2.0000
4.0000
3.0000
1 / 4 : 1
75°58´
1.5616
3.1231
2.3423
1 / 2 : 1
63°26´
1.2361
2.4721
1.8541
4 / 7 : 1
60°15´
1.1606
2.3213
1.7410
3 / 4 : 1
53°08´
1.0000
2.0000
1.5000
1:1
45°00´
0.8284
1.6569
1.2426
1 ¼ : 1
38°40´
0.7016
1.4031
1.0523
1 ½ : 1
33°41´
0.6056
1.2111
0.9083
2 : 1
26°34´
0.4721
0.9443
0.7082
3 : 1
18°26´
0.3246
0.6491
0.4868
De todas las secciones trapezoidales, la más
eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el
talud con la horizontal es 60°, además para
cualquier sección de máxima eficiencia debe
cumplirse: R = y/2donde: R = Radio hidráulico
y = Tirante del canal
No siempre se puede diseñar de acuerdo a las
condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de
circunstancias locales que imponen un diseño propio
para cada situación.- Sección
Hidráulica Optima - Diseño de
secciones hidráulicas.-
Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como:
tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de
rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida,
pendiente del canal, taludes, etc.
La ecuación más utilizada es la de
Manning o Strickler, y su expresión es:
donde:
Q = Caudal (m3/s)
n = Rugosidad
A = Area (m2)
R = Radio hidráulico = Area de la
sección húmeda / Perímetro
húmedo
En la tabla DC06, se muestran las secciones más
utilizadas.
- Criterios de diseño.- Se tienen diferentes
factores que se consideran en el diseño de canales,
aunque el diseño final se hará considerando las
diferentes posibilidades y el resultado será siempre una
solución de compromiso, porque nunca se podrán
eliminar todos los riesgos y
desventajas, únicamente se asegurarán que la
influencia negativa sea la mayor posible y que la
solución técnica propuesta no sea inconveniente
debido a los altos costos.
Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de
Manningn
Superficie
0.010
0.011
Concreto muy liso.
0.013
Madera suave, metal, concreto frotachado.
0.017
Canales de tierra en buenas
condiciones.0.020
Canales naturales de tierra, libres de
vegetación.0.025
Canales naturales con alguna vegetación
y piedras esparcidas en el fondo0.035
Canales naturales con abundante
vegetación.0.040
Arroyos de montaña con muchas
piedras.Tabla DC06. Relaciones geométricas de las
secciones transversales más frecuentes.- Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a
las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del
canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal,
generalmente cuando se diseña canales en tierra se
supone que el canal está recientemente abierto, limpio
y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad
inicialmente asumido difícilmente se conservará
con el tiempo, lo
que quiere decir que en al práctica constantemente se
hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La
siguiente tabla nos da valores de
"n" estimados, estos valores pueden ser refutados con
investigaciones y manuales, sin
embargo no dejan de ser una referencia para el
diseño:Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos
tipos de materialMATERIAL
TALUD
(horizontal : vertical)Roca
Prácticamente
verticalSuelos de turba y detritos
0.25 : 1
Arcilla compacta o tierra con recubrimiento
de concreto0.5 : 1 hasta 1:1
Tierra con recubrimiento de piedra o tierra
en grandes canales1:1
Arcilla firma o tierra en canales
pequeños1.5 : 1
Tierra arenosa suelta
2:1
Greda arenosa o arcilla porosa
3:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián,
"Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de
Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida,
Venezuela,
1974Tabla DC08. Pendientes laterales en canales
según tipo de sueloMATERIAL
CANALES POCO
PROFUNDOSCANALES
PROFUNDOSRoca en buenas condiciones
Vertical
0.25 : 1
Arcillas compactas o
conglomerados0.5 : 1
1 : 1
Limos arcillosos
1 : 1
1.5 : 1
Limos arenosos
1.5 : 1
2 : 1
Arenas sueltas
2 : 1
3 : 1
Concreto
1 : 1
1.5 : 1
Fuente: Aguirre Pe, Julián,
"Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de
Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida,
Venezuela, 1974 - Talud apropiado según el tipo de material.- La
inclinación de las paredes laterales de un canal,
depende de varios factores pero en especial de la clase de
terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF
RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para
sus canales, a continuación se presenta un cuadro de
taludes apropiados para distintos tipos de material:La velocidad máxima permisible, algo bastante
complejo y generalmente se estima empleando la experiencia
local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos
dan valores sugeridos.Tabla DC09. Máxima velocidad permitida en
canales no recubiertos de vegetaciónMATERIAL DE LA CAJA DEL
CANAL"n"
Manning
Velocidad
(m/s)Agua limpia
Agua con partículas
coloidalesAgua transportando arena,
grava o fragmentosArena fina coloidal
0.020
1.45
0.75
0.45
Franco arenoso no coloidal
0.020
0.53
0.75
0.60
Franco limoso no coloidal
0.020
0.60
0.90
0.60
Limos aluviales no coloidales
0.020
0.60
1.05
0.60
Franco consistente normal
0.020
0.75
1.05
0.68
Ceniza volcánica
0.020
0.75
1.05
0.60
Arcilla consistente muy coloidal
0.025
1.13
1.50
0.90
Limo aluvial coloidal
0.025
1.13
1.50
0.90
Pizarra y capas duras
0.025
1.80
1.80
1.50
Grava fina
0.020
0.75
1.50
1.13
Suelo franco clasificado no
coloidal0.030
1.13
1.50
0.90
Suelo franco clasificado coloidal
0.030
1.20
1.65
1.50
Grava gruesa no coloidal
0.025
1.20
1.80
1.95
Gravas y guijarros
0.035
1.80
1.80
1.50
Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño
Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978Para velocidades máximas, en general, los
canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos;
además un canal profundo conducirá el agua a
mayores velocidades sin erosión, que otros menos
profundos.Tabla DC10. Velocidades máximas en
hormigón en función de su resistencia.RESISTENCIA,
en kg/cm2
PROFUNDIDAD DEL TIRANTE
EN METROS0.5
1
3
5
10
50
9.6
10.6
12.3
13.0
14.1
75
11.2
12.4
14.3
15.2
16.4
100
12.7
13.8
16.0
17.0
18.3
150
14.0
15.6
18.0
19.1
20.6
200
15.6
17.3
20.0
21.2
22.9
Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño
Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles
altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda
que para el caso de revestimiento de canales de
hormigón no armado, las velocidades no deben exceder
de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el
revestimiento se levante. - Velocidades máxima y mínima
permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella
velocidad que no permite sedimentación, este valor es
muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando
el agua
fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja
velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en
canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la
velocidad apropiada que no permite sedimentación y
además impide el crecimiento de plantas en el
canal. - Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la
corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija
que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde
libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua
en un canal, se puede originar por causas
incontrolables.
La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el
borde libre con la siguiente formula:
donde: Borde libre: en pies.
C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y
hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000
pies3/seg.
Y = Tirante del canal en pies
La secretaría de Recursos
Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores
en función del caudal:
Tabla DC11. Borde libre en función del
caudal
Caudal m3/seg | Revestido (cm) | Sin revestir |
£ 0.05 | 7.5 | 10.0 |
0.05 – 0.25 | 10.00 | 20.0 |
0.25 – 0.50 | 20.0 | 40.0 |
0.50 – 1.00 | 25.0 | 50.0 |
> 1.00 | 30.0 | 60.0 |
Fuente: Ministerio de Agricultura y
Alimentación, Boletín Técnico N- 7
"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima
1978
Máximo Villón Béjar, sugiere
valores en función de la plantilla del canal:
Tabla DC12. Borde libre en función de la
plantilla del canal
Ancho de la plantilla | Borde libre (m) |
Hasta 0.8 | 0.4 |
0.8 – 1.5 | 0.5 |
1.5 – 3.0 | 0.6 |
3.0 – 20.0 | 1.0 |
Fuente: Villón Béjar, Máximo;
"Hidráulica de canales", Depto. De Ingeniería Agrícola –
Instituto Tecnológico de Costa Rica,
Editorial Hozlo, Lima, 1981
Harvey Condori Luque
Ingeniero Agrícola
Especialista en Manejo de Recursos
Naturales
Perú – Puno – diciembre de
2004