Topografía de canales

Introducción

La localización de un canal importante es algo
parecida a la descrita para las carreteras, excepto que las
pendientes son relativamente pequeñas y las diferencias de
elevación pequeñas tienen relativamente mayor
importancia. Debido a la falta de flexibilidad en las pendientes
permitidas, el número y variedad de alternativas que se
deben investigar durante el reconocimiento son generalmente mucho
menores que en la localización de una carretera. Para el
reconocimiento deberá usarse el nivel de anteojo
generalmente, poniendo trompos a distancias de mas o menos cien
metros a la elevación de la rasante requerida y hace desde
un punto de control a un extremo de la línea. La pendiente
se elige de manera que el agua corra con la velocidad deseada en
la sección transversal elegida para el canal. Como en el
caso de las carreteras, la preliminar puede hacerse
exclusivamente en el campo o con una combinación de
procedimientos de campo y aéreos. Cuando se utilizan
procedimientos topográficos, generalmente la brigada de
nivel va adelante, poniendo estacas a la rasante como una
guía para la localización correcta de la
línea. Se traza luego una poligonal con el tránsito
o la plancheta, con cinta con estadía a lo largo de la
línea estacada obteniendo suficientes datos
topográficos y planimetritos, con los que se pueda trazar
la línea definitiva en su posición
correcta.

En general, los trabajos topográficos para la
localización y construcción de un canal son los
mismos que para una carretera o ferrocarril. Existen, sin
embargo, algunas diferencias en el proyecto que se hace en el
gabinete de la línea central debido principalmente a la
forma de la sección transversal. En los cortes de poca
profundidad, la sección transversal del canal tiene la
forma de un canal excavado con un terraplén a cada lado,
construidos con el material excavado. En ladera el material
excavado se usa para formar un terraplén en el lado de
ladera abajo del canal. En vez de construir un terraplén
en los tramos bajos, como se haría al construir un
ferrocarril o una carretera, se usan comúnmente un
acueducto o un sifón invertido.

DESARROLLO DEL TEMA

Generalidades

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.

Partes de un
canal

A lo largo de un canal de riego se sitúan muchas
y variadas estructuras, llamadas "obras de arte", estas son,
entre otras:

• Obras de Derivación.- que como su
  nombre lo indica, se usan para derivar el agua
  (utilizando partidores), desde un canal principal (ejm.
  una acequia) a uno secundario (ejm. un brazal), o
  de este último hacia un canal terciario, o desde el
  terciario hacia el canal de campo y el cañón
  de boquera. Generalmente se construyen
  en hormigón, o en mampostería de
  piedra, y están equipadas con compuertas, algunas
  simples, manuales (también denominadas tablachos,
  y otras que pueden llegar a ser sofisticadas.

• Controles de Nivel.- muchas veces asociadas a
  las obras de derivación, son destinadas a mantener
  siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un cierto
  rango y, especialmente en los puntos terminales, con una
  inclinación descendente

• Controles de seguridad.- estos deben
  funcionar en forma automática, para evitar
  daños en el sistema, si por cualquier motivo hubiera
  una falla de operación (alguien decía alguna
  vez, que no puede ser que si una vaca decide acortarse en el
  canal a tomar el fresco, todo el sistema, en cascada se
  autodestruya), esto que parece una broma es tomado muy en
  serio por los proyectistas de los sistemas de riego. Existen
  básicamente dos tipos de controles de seguridad:
  los vertederos, y los sifones;

• Secciones de aforo.- destinadas a medir la
  cantidad de agua que entra en un determinado canal, en base
  al cual el usuario del agua pagará, por el servicio.
  Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas
  muy sencillas, constan de una regla graduada que es
  leída por el operador a intervalos pre establecidos,
  hasta sistemas complejos, asociados con compuertas
  autorregulables, que registran el caudal en forma continua y
  lo trasmiten a la central de operación
  computerizada.

• obras de cruce del canal de riego con
  otras infraestructuras existentes en el terreno,
  pertenecientes o no al sistema de riego. Estas a su vez
  pueden ser de:

• cruce de canal de riego con un canal de
  drenaje del mismo sistema de riego;

• cruce de un dren natural, con el canal de riego, a
  una cota mayor que este último

• cruce de canal de riego con una hondonada, o
  valle;

• cruce de canal de riego con una
  vía.

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.

Elementos
básicos en el diseño de canales

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:

• a) 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.

• b) 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.

• c) 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.

• 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 01. Radio mínimo en
canales abiertos para Q > 10 m3/s

Fuente: "International Institute
For Land Reclamation And Improvement" ILRI,

Principios y Aplicaciones del
Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands
1978.

Tabla 02. Radio mínimo en
canales abiertos en función del espejo de
agua

Fuente: Salzgitter Consult GMBH
"Planificación de Canales, Zona Piloto
Ferreñafe"

Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones
– Chiclayo 1984.

Tabla 03. Radio mínimo en canales
abiertos para Q < 20 m3/s

Fuente: Ministerio de Agricultura
y Alimentación, Boletín Técnico N-
7

"Consideraciones Generales sobre
Canales Trapezoidales" Lima 1978.

• Elementos de una Curva de un Canal

• 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.

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

• Sección típica de un
  canal

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
tráfico.

Sección
hidráulica óptima

• 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:

• 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 04. Relación plantilla
vs. Tirante para, máxima eficiencia, mínima
infiltración y el promedio de ambas.

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/2 . Donde: R = Radio hidráulico, e 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.

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:

• 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 inconvenient
  e debido a los altos costos.

• 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 05. Valores de rugosidad "n" de
Manning

Tabla 06. Relaciones
geométricas de las secciones transversales más
frecuentes.

• 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:

Tabla 07. Taludes apropiados para distintos
tipos de material

Fuente: Aguirre Pe, Julián,
"Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de
Desarrollo

de Aguas y Tierras – CIDIAT,
Merida, Venezuela, 1974

Tabla 08. Pendientes laterales en canales
según tipo de suelo

Fuente: Aguirre Pe, Julián,
"Hidráulica de canales", Dentro Interamericano
de

Desarrollo de Aguas y Tierras
– CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974

• 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.

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 09. Máxima velocidad
permitida en canales no recubiertos de
vegetación

Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño
Hidráulico", Ed. MIR, Moscú,
1978

Para 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 10. Velocidades máximas
en hormigón en función de su
resistencia.

Fuente: Krochin Sviatoslav.
"Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú,
1978

Esta tabla 10, 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.

• 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.

Tabla 11. Borde libre en
función del caudal

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

Fuente: Villón Béjar,
Máximo; "Hidráulica de canales",

Depto. De Ingeniería
Agrícola – Instituto Tecnológico
de

Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima,
1981

Conclusiones

• Los canales de riego tienen la
  función de conducir el agua desde la captación
  hasta el campo o huerta donde será aplicado
  a los cultivos. Son obras de
  ingeniería importantes, que deben ser
  cuidadosamente pensadas para no provocar daños al
  ambiente y para que se gaste la menor cantidad de agua
  posible. Están estrechamente vinculados a las
  características del terreno, generalmente siguen
  aproximadamente las curvas de nivel de este, descendiendo
  suavemente hacia cotas más bajas
  (dándole una pendiente descendente, para que el agua
  fluya más rápidamente y se gaste menos
  líquido).

• La construcción del conjunto de los canales
  de riego es una de las partes más significativas en el
  costo de la inversión inicial del sistema de
  riego, por lo tanto su adecuado mantenimiento es una
  necesidad imperiosa.

• Las dimensiones de los canales de riego son muy
  variadas, y van desde grandes canales para transportar varias
  decenas de m3/s, los llamados canales principales, hasta
  pequeños canales con capacidad para unos pocos l/s,
  son los llamados canales de campo.

Anexos

Bibliografía

• HARVEY CONDORI LUQUE – Ingeniero Agrícola –
  Especialista en Manejo de Recursos Naturales Perú –
  Puno – diciembre de 2004.

• VILLÓN BÉJAR MÁXIMO;
  "Hidráulica de canales" – Depto. De Ingeniería
  Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa
  Rica – Editorial Hozlo – Lima, 1981.

• "INTERNATIONAL INSTITUTE FOR LAND RECLAMATION AND
  IMPROVEMENT" –Principios y Aplicaciones del Drenaje – Tomo IV
  – Wageningen The Netherlands 1978.

• SALZGITTER CONSULT GMBH –
  "Planificación de Canales – Zona Piloto
  Ferreñafe" – Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones
  –Chiclayo 1984.

• MINISTERIO DE AGRICULTURA – Boletín
  Técnico N- 7 "Consideraciones Generales sobre Canales
  Trapezoidales" – Lima 1978.

• AGUIRRE PE, JULIÁN –
  "Hidráulica de canales" – Dentro Interamericano de
  Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT- Mérida-
  Venezuela, 1974.

Autor:

Moreno Chiroque
Raúl

Garcia Togas Giancarlo
Warner

" AÑO DEL CENTENARIO DE MACHUPICCHU
PARA EL MUNDO"

FACULTAD DE AGRONOMÍA

ESCUELA DE INGENIERIA
AGRÍCOLA

TRABAJO ENCARGADO

CURSO : TOPOGRAFÍA II

PROFESOR : ING. GILMER CAMACHO
LÁZARO

Piura, 28 de diciembre del 2011