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Diseño de Canales




Enviado por Harvey Condori Luque



    1. Canales de riego por su
      función
    2. Elementos básicos en el
      diseño de canales
    3. Sección
      Hidráulica Optima
    4. Diseño de
      secciones hidráulicas
    1. 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.

    2. Generalidades.-
    3. 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.

    1. 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:

    1. 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.
    2. 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.
    3. 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 DC01. Radio mínimo en
    canales abiertos para Q > 10 m3/s

    Capacidad del
    canal

    Radio
    mínimo

    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
    ser redondeados hasta el próximo metro
    superior

    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
    RIEGO

    CANALES DE
    DRENAJE

    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
    espejo de agua

    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
    canal

    Radio
    mínimo

    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
    de 20 m

    C

    =

    Cuerda larga, es la cuerda que sub –
    tiende la curva desde PC hasta PT.

    ß

    =

    Angulo de deflexión, formado en el
    PI.

    E

    =

    External, es la distancia de PI a la curva
    medida en la bisectriz.

    F

    =

    Flecha, es la longitud de la perpendicular
    bajada del punto medio de la curva a la cuerda
    larga.

    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.

    1. 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
      Eficiencia

      Mínima
      Infiltración

      Promedio

      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/2

      donde: 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.

    2. Sección
      Hidráulica Optima
    3. 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.
    1. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de
      Manning

      n

      Superficie

      0.010

      Muy lisa, vidrio, plástico, cobre.

      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 fondo

      0.035

      Canales naturales con abundante
      vegetación.

      0.040

      Arroyos de montaña con muchas
      piedras.

      Tabla DC06. Relaciones geométricas de las
      secciones transversales más frecuentes.

    2. 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 material

      MATERIAL

      TALUD
      (horizontal : vertical)

      Roca

      Prácticamente
      vertical

      Suelos de turba y detritos

      0.25 : 1

      Arcilla compacta o tierra con recubrimiento
      de concreto

      0.5 : 1 hasta 1:1

      Tierra con recubrimiento de piedra o tierra
      en grandes canales

      1:1

      Arcilla firma o tierra en canales
      pequeños

      1.5 : 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,
      1974

      Tabla DC08. Pendientes laterales en canales
      según tipo de suelo

      MATERIAL

      CANALES POCO
      PROFUNDOS

      CANALES
      PROFUNDOS

      Roca en buenas condiciones

      Vertical

      0.25 : 1

      Arcillas compactas o
      conglomerados

      0.5 : 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

    3. 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 vegetación

      MATERIAL DE LA CAJA DEL
      CANAL

      "n"

      Manning

      Velocidad
      (m/s)

      Agua limpia

      Agua con partículas
      coloidales

      Agua transportando arena,
      grava o fragmentos

      Arena 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
      coloidal

      0.030

      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, 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 DC10. Velocidades máximas en
      hormigón en función de su resistencia.

      RESISTENCIA,

      en kg/cm2

      PROFUNDIDAD DEL TIRANTE
      EN METROS

      0.5

      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, 1978

      Esta 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.

    4. 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.
    5. 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
    (cm)

    £ 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
    (m)

    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

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