SA-216ABASTECIMIENTO DE AGUA II

CONDUCTOS LIBRESCANALES

Son conductos por donde circula el agua por accin de la gravedad y sin ninguna presin.

La superficie libre esta en contacto con el aire.

La seccin del canal puede ser abierta o cerrada.Canales(1/2)

Los canales pueden ser naturales: ros, arroyos. Presentan una seccin no uniforme a lo largo del canal. Son conductos libre.

Los canales pueden ser artificiales, construidos por el hombre. La seccin del canal es uniforme. Pueden ser conductos cerrados como las alcantarillas.Canales(2/2)

La clasificacin del flujo depende de la variable que se utilice como referencia, se tiene:

- Flujo permanente y no permanente.- Flujo uniforme y variado.- Flujo laminar o turbulento.Tipos de Flujo en Canales- Flujo crtico, subcrtico y supercrtico.

La variable de referencia utilizada es el tiempo.

Flujo Permanente: los parmetros (tirante, velocidad, rea, etc.) no cambian con respecto al tiempo, en una seccin de control del canal.Flujo Permanente y no Permanente(1/2)

Flujo no permanente: los parmetros (tirante, velocidad, rea, etc.) cambian con respecto al tiempo, en una seccin de control del canal.(2/2)Flujo Permanente y no Permanente

La variable de referencia utilizada es el espacio.

Flujo uniforme: los parmetros (tirante, velocidad, rea, etc.) no cambian con respecto al espacio, en las secciones de control del canal.Flujo Uniforme y Variado(1/2)

(2/2)Flujo no uniforme o variado: los parmetros (tirante, velocidad, rea, etc.) cambian con respecto al espacio, en las secciones de control del canal.

El flujo variado se puede clasificar en gradual y rpidamente variable.Flujo Uniforme y Variado

Canal con Rgimen Uniforme y PermanenteCanales con los cuales los parmetros (tirante, velocidad, rea, etc.) no cambian con respecto al tiempo y el espacio.

Cuando el canal tienen varios tramos con diferentes parmetros, el diseo se realiza para cada tramo con la transicin correspondiente.(1/2)

Un canal con varios tramos se utiliza para varios usuarios (uso agrcola, uso poblacional, etc.) cada uno con su demanda.

Los criterios empleados para el financiamiento del canal pueden ser: en proporcin al caudal, al volumen, al tiempo de operacin, etc.(2/2)Canal con Rgimen Uniforme y Permanente

Flujo UniformeLos parmetros hidrulicos (tirante, velocidad, rea, etc.) no cambian con respecto al espacio.

Las caractersticas (tirante, caudal, rea transversal, y velocidad) en cada seccin del canal son constantes.La pendiente de la lnea de energa, de la superficie libre de agua y del fondo del canal son iguales y por lo tanto paralelas.

So = Sw = Se

Frmulas Usuales para Canales(1/3)Frmula de Chzy: En el ao 1769, el Ingeniero francs Antoine Chzy estableci la primera frmula del flujo uniforme, para obtener la velocidad media en la seccin del canal:Donde:- V : velocidad media en el canal (m/s)- C : coeficiente de Chzy.- R : radio hidrulico (m)- S : pendiente del canal (m/m)

A partir de esta frmula, diferentes investigadores han realizado esfuerzos para evaluar el coeficiente de Chzy.

(2/3)Frmula de Manning: En el ao 1889, el ingeniero irlands Robert Manning estableci una evolucin de la frmula de Chzy, para el clculo de la velocidad del agua en canales abiertos y tuberas:Donde:- V : velocidad media en el canal (m/s)- R : radio hidrulico (m)- S : pendiente del canal (m/m)- n : coeficiente de rugosidad (de Manning)Frmulas Usuales para Canales

(3/3)Ecuacin de Continuidad: Conservacin de la masa:Donde:- Q : caudal (m3/s)- V : velocidad promedio del canal (m/s)- A : seccin transversal del canal (m2)

Aplicando la ecuacin de continuidad a la frmula de Manning:Frmulas Usuales para Canales

Secciones transversales ms frecuentes:

Seccin Trapezoidal: las paredes laterales son inclinadas. Se usa siempre en canales de tierra, en canales con o sin revestimiento.

Seccin Rectangular: las paredes laterales son verticales con talud estable. Se emplea en canales de roca o revestidos.Secciones Transversales(1/2)

Seccin Triangular: tiene paredes laterales inclinadas con un talud. Se usa en cunetas en carreteras, en terreno natural en surcos.

Seccin Circular: utilizados como semi circular en canales de tierra y acueductos, o completos en tneles.

Existen canales de secciones compuestas.(2/2)Secciones Transversales

Elementos Geomtricos de la Seccin Transversalde un Canaly=Tirante de agua.H=Altura total del canal.b=Ancho del canal (solera).H-y = Borde libre.T=Espejo de agua, anchoz=Talud, proyeccin horizontal de la superficie.a la vertical.C=Ancho de corona.=Angulo de inclinacin de laH=Altura total del canal.pared vertical.

Relaciones Geomtricas de las SeccionesTransversales ms Frecuentes(1/4)Canal Rectangular:

rea:

Permetro mojado:

Radio hidrulico:

Espejo de agua:

(2/4)Canal Trapezoidal:

rea:

Permetro mojado:

Radio hidrulico:

Espejo de agua:Relaciones Geomtricas de las SeccionesTransversales ms Frecuentes

(3/4)Canal Triangular:

rea:

Permetro mojado:

Radio hidrulico:

Espejo de agua:Relaciones Geomtricas de las SeccionesTransversales ms Frecuentes

(4/4)Canal Circular:

rea:

Permetro mojado:

Radio hidrulico:

Espejo de agua:Relaciones Geomtricas de las SeccionesTransversales ms Frecuentes

Diseo de Canales: CaudalCaudal (Q): Se determina en funcin de la demanda para un determinado perodo.

Para el caso de riego, el caudal esta en funcin de la superficie a regar.Para evacuar excedentes de las aguas pluviales, el caudal se calcula tomando las consideraciones hidrolgicas.

En el caso de uso poblacional, esta en funcin de la poblacin que se va a atender con el servicio de agua potable.

(1/2)Pendiente (S): Su seleccin depende de la topografa y del trazo del canal.

El trazo debe seguir las curvas de nivel, y que permita dominar la mayor superficie posible de tierra.La pendiente seleccionada debe sustentar las dimensiones del canal que produzca el menor movimiento de tierra.

No debe originar velocidades que erosionen el material en el que est alojado el canal, tampoco depsitos de sedimentos que tiene el agua.Diseo de Canales: Pendiente

(2/2)La pendiente debe tener un valor intermedio entre aquellas que podran provocar erosiones o sedimentacin en el canal.

La pendiente mxima admisible para canales de tierra varan segn la textura, los valores recomendados son:Diseo de Canales: Pendiente

Tipo de SueloPendiente (S), ()Suelos sueltos0.5 1.0Suelos francos1.5 2.5Suelos arcillosos3.0 4.5

(1/2)Talud (z): Es la inclinacin de la pared lateral del canal, es la relacin de la proyeccin horizontal a la vertical.

Depende del grado de estabilidad que ofrece el material sobre el cual se construir el canal.Mientras ms inestable es el material, menor deber ser el ngulo de inclinacin de los taludes.

En canales con revestimiento, el talud vara segn la resistencia con que se disee el revestimiento.Diseo de Canales: Talud

(2/2)Cuando el material es erosionable, deber verificarse el diseo con el criterio de mxima velocidad permisible.

Los valores recomendables en funcin del material son:Diseo de Canales: Talud

MaterialCorteRellenoRoca dura o sana0.25 0.501.00Roca blanda o fisurada0.50 0.701.00Roca suelta, grava fragmentada, arcilla0.75 0.800.75Arcilla con grava, suelo franco1.001.00Suelo franco con grava1.501.50Arena y grava, y arena bien graduada1.50 2.001.50 2.00Arena fina y limo (no plstico)2.00 3.002.00

(1/2)Coeficiente de Rugosidad (n): Es la resistencia al movimiento del fluido de la superficie con la que esta en contacto.

Se utiliza el coeficiente de rugosidad de Manning, que representa en formaaceptable la rugosidad del canal para un flujo turbulento.

El coeficiente de rugosidad debe tener en cuenta las condiciones del canal: material, irregularidad, variacin de la seccin transversal, obstrucciones, vegetacin, y cantidad de meandros.Diseo de Canales: Coeficiente de Rugosidad

(2/2)Los coeficientes de Manning recomendados son:Diseo de Canales: Coeficiente de Rugosidad

Naturaleza de las ParedesnCanales de concreto muy liso, de madera lijada0.012Canales con aplanado de cemento liso, de madera lisa0.013Canales con aplanado de cemento rugoso0.018Canales de mampostera en malas condiciones0.020Canales de tierra bien construidos con pequeos depsitos0.022Canales de tierra, con vegetacin rasante en fondo y taludes0.025Canales de tierra con vegetacin normal, fondo con escombros0.030Excavaciones naturales, cubiertas de escombros y vegetacin0.035Excavaciones naturales, trazado sinuoso0.040

(1/2)Velocidad Mxima (Vmax): No debe producir erosin en las paredes y el fondo del canal.

Velocidades superiores a los valores mximos permisibles, modifican las rasantes y crean dificultades en el funcionamiento de las estructuras del canal.Diseo de Canales: Velocidad Mxima

(2/2)Las velocidades mximas recomendadas son:Diseo de Canales: Velocidad Mxima

Caractersticas de los SuelosVelocidad Mxima (m/s)Canales en tierra arenosa0.60Canales en tierra de material aluvional0.80Canales revestidos con piedra y mezcla simple1.00Canales con mampostera de piedra y concreto2.00Canales revestidos con concreto3.00Canales en roca: pizarra1.25Canales en roca: areniscas consolidadas1.50Canales en roca: roca dura, granito, etc.3.00 5.00Canales en arcilla compacta1.20 1.80

Velocidad Mnima (Vmin): La baja velocidad puede ocasionar que el material transportado comience a sedimentar, y origina mayores gastos de conservacin.

Cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, laDiseo de Canales: Velocidad Mnimavelocidad baja favorece el crecimiento de vegetacin.

En general la velocidad no debe ser menor de 0.60 m/s, la condicin mnima de estar de 0.45 a 0.50 m/s.

Ancho del Canal (b): En algunos clculos es til fijar una valor para el ancho o base del canal, con lo cual hay facilidad para calcular el tirante.

En canales pequeos, el ancho esta en funcin de la pala de la maquinaria para su construccin.Criterios Complementarios: Ancho del Canal

Caudal (m3/s)Ancho de la Base (m)Menor de 0.1000.30Entre 0.100 y 0.2000.50Entre 0.200 y 0.40000.75Mayor a 0.4001.00

Tirante (y): Existen reglas empricas para estimar el tirante mximo del canal para canales de tierra.

En Estados Unidos:

En la India:Criterios Complementarios: TiranteDonde:y=tirante hidrulico (m)A=rea de la seccin transversal (m2)

(1/3)Borde Libre (B.L.): Resulta necesario dejar un desnivel entre la superficie libre del agua y la corona de los bordes del canal.

El borde libre absorbe los niveles de caudal que puede presentarse por encima del caudal de diseo.Para canales de tierra, se recomienda:

Para canales revestidos, se recomienda:Criterios Complementarios: Borde Libre

(2/3)Influye en el borde libre el ingreso del agua de lluvia, el agua no controlada desde la captacin, variaciones del coeficiente de rugosidad, el aumento del tirante por efecto de las curvas.

Un criterio prctico para designar el borde libre con relacin al caudal, se tiene:Criterios Complementarios: Borde Libre

Caudal (m3/s)Borde Libre (m)Menores de 0.500.30Mayores de 0.500.40

(3/3)Otro criterio prctico para designar el borde libre con relacin al ancho del canal, se tiene:Criterios Complementarios: Borde Libre

Ancho del Canal (m)Borde Libre (m)Hasta 0.800.40De 0.80 a 1.500.50De 1.50 a 3.000.60De 3.00 a 20.001.00

Profundidad Total (H): La profundidad se determina una vez conocido el tirante de agua y el borde libre.

Para la construccin del canal, laCriterios Complementarios: Profundidad Totalprofundidad total se suele redondear, asumiendo su variacin el valor del borde libre.

Cuando el canal tiene un revestimiento, a esta profundidad se le adiciona el espesor del revestimiento.

Ancho de Corona (C): Depende del servicio que estos van a prestar.

En canales grandes el ancho debe permitir el trnsito de vehculos y equipos para la operacin y mantenimiento, por ejemplo 6.50 m. En funcin del caudal puede ser:Criterios Complementarios: Ancho de Corona

Caudal (m3/s)Ancho de Corona (m)Menores de 0.500.60Mayores de 0.501.00

Topografa: Segn sea el relieve uniforme o quebrado se proyectan cambios de direccin en el trazo.

El talud de las laderas para definir la base y tirante, y variar los volmenes de corte y relleno.Estudios de Campo: TopografaEl trazo de canal, en lo posible, debe seguir las curvas de nivel para tener una adecuada pendiente.

El levantamiento topogrfico se realiza en planta y en perfil, en escalas adecuadas.

Para tener seguridad de las obras durante la construccin, operacin y mantenimiento.

El estudio geolgico comprende estudios de litologa, estratigrafa, tectnica, geomorfologa, hidrologa y riesgo ssmico que se complementanEstudios de Campo: Estudio Geolgicocon exploraciones, ensayos in situ y pruebas de laboratorio.

Litologa: Conocer el tipo o clase de rocas que se encuentran aflorando o como componentes de sedimentos.(1/3)

Determinar sus caractersticas fsicas: grado de fracturacin, resistencia, resistencia, y talud de estabilidad. Tambin las propiedades qumicas y reacciones de disolucin, etc.

Geomorfologa e Hidrologa: A fin deprever problemas de deslizamientos, derrumbes y los efectos del agua en los materiales aluviales y coluviales.

Determinar la velocidad de infiltracin y la necesidad de revestir el canal.(2/3)Estudios de Campo: Estudio Geolgico

Perfil del suelo con los lmites de consistencia, granulometra y textura, para definir los taludes en los cortes y rellenos.

Los resultados de estos estudios permiten prever la reaccin qumicadel suelo y agua, como por la expansin de las arcillas, y en un eventual revestimiento el provocar que los estos se lleguen a destruir.(3/3)Estudios de Campo: Estudio Geolgico

Se investiga el suelo mediante calicatas y anlisis fsicos qumicos para determinar su calidad en los lugares donde se ubica el canal.

Se indica la ubicacin de la calicata y el tipo de material encontrado (suelo/roca), as como el perfil estratigrfico integrado donde se muestren los diferentes materiales indicando cotas y posicin de la napa fretico donde corresponda.

Se debe indicar el procedimiento constructivo ms adecuado para cada zona tpica, lo cual incide en el presupuesto.Estudios de Campo: Estudio de Suelos

Efecto de la temperatura y la vegetacin natural.

Las grandes variaciones de la temperatura influyen en la seleccin del tipo de revestimiento del canal, la baja temperatura puede formar hielo ypuede producir variaciones en el coeficiente de rugosidad.

La vegetacin influye en la resistencia al flujo en los canales sin revestir, puede provocar fisuras y roturas de los revestimientos, y producir prdidas de agua en la conduccin.Estudios de Campo: Condiciones Ambientales

Analizar los impactos producidos en el suelo, vegetacin, poblacin, agua subterrnea, etc.

Determinar las medidas de mitigacin a implementarse en las diferentesetapas: proyecto, construccin, operacin y mantenimiento.

Conflictos sociales por en la construccin por el trazo, en la operacin y mantenimiento.

Contaminacin del agua conducida por las actividades del hombre o crianza de animales.Estudios de Campo: Estudio de Impacto Ambiental

El trazo del canal puede afectar terrenos del estado o privados.

Para el uso del terreno del estado se realizan las gestiones administrativas ante la entidad correspondiente.Para los terrenos privados se debe negociar con los dueos para definir una cesin en uso o venta de terreno.

En caso de venta se tiene que establecer las servidumbres de paso (en la construccin) o de trnsito (en la operacin y mantenimiento) que correspondan.Estudios de Campo: Terreno y Servidumbre

Toda obra privada o pblica que involucre un bien inmueble integrante del patrimonio cultural de la nacin, requiere para su ejecucin de la autorizacin previa del Instituto Nacional de Cultura (INC).El CIRA es emitido por el INC mediante el cual se hace constar que en un determinado predio no existen evidencias arqueolgicas.

El CIRA queda sin efecto si se hallan evidencias arqueolgicas durante las operaciones de remocin del terreno o alteracin de la superficie.Estudios de Campo: Certificado de Inexistencia de Restos Arqueolgicos - CIRA

Determinar la forma y dimensiones: definir el talud, clculo de la base, tirante y el borde libre.

Establecer la necesidad o no de revestimiento y su tipo.El comportamiento hidrulico del canal se evala a partir de la curva de descargas que relaciona el tirante y las descargas que se producen, la velocidad, efecto de la sobre elevacin en las curvas.

Se pueden formular diferentes alternativas.Diseo del Canal

Es aquella en la cual para una seccin mojada, pendiente y calidad de las paredes se descarga el mximo caudal.Fundamentalmente se utilizar para canales revestidos pues minimiza el volumen del revestimiento.

Un factor que interviene en el costo de construccin es el volumen de excavacin, el cual depende de la seccin transversal. Se puede encontrar la menor excavacin para un caudal, conocida la pendiente.

Para un canal donde n, A y S son constantes:Seccin de Mxima Eficiencia Hidrulica(1/2)

El caudal ser mximo si P es mnimo, y para un canal trapezoidal:Seccin de Mxima Eficiencia Hidrulica(2/2)=>=>=>Derivando P con respecto a y, y resolviendo:

Si el trazado del canal es en terreno bastante permeable, se debe disear una seccin que permita la menor prdida de agua por infiltracin.

La infiltracin depende de la clase deterreno, pero es una funcin del tirante, que se puede expresar con la siguiente frmula donde K es una constante:

La infiltracin se da en las paredes laterales y en el fondo del canal. Seccin de Mnima Infiltracin(1/3)

En el fondo del canal, la prdida por metro lineal de canal y ancho b es:

En el talud la infiltracin se produceSeccin de Mnima Infiltracin(2/3)en el rea lateral, con un valor mximo en el fondo, y formando una superficie parablica. La infiltracin por metro lineal es:La prdida total por infiltracin en el permetro mojado ser:

Para una base de canal b la infiltracin depende de y. Derivando con respecto a y y resolviendo:Seccin de Mnima Infiltracin(3/3)

La prdida de agua es principalmente por la infiltracin. La prdida por evaporacin en la superficie del canal es mucho ms pequea.Prdidas por infiltracin, segn Moritz:Prdida de Agua en Canales(1/2)Donde:P=prdida por infiltracin (m3/s.Km)Q=caudal (m3/s)V=velocidad media (m/s)C=coeficiente de prdida de agua

Valores del Coeficiente C, de la frmula de Moritz:Prdida de Agua en Canales(1/2)

Material del PermetroCSuelo franco arcilloso impermeable0.08 - 0.11Suelo franco arcilloso semipermeable sobre arcilla0.11 - 0.15Suelo franco arcilloso ordinario0.15 - 0.23Suelo franco arcilloso con arena y grava cementada0.23 - 0.30Franco arenoso0.30 - 0.45Arenoso suelto0.45 0.55Roca desintegrada con grava0.75 - 0.90Suelo con mucha grava0.90 - 1.80

El cambio de alineamiento en el trazo de un canal provoca una sobre elevacin del tirante.

Por efecto de la curva, la fuerza centrfuga causa una sobre elevacin de la parte externa de la superficie del agua.Efecto de Sobre Elevacin en Curvas(1/2)Para un rgimen subcrtico, la sobre elevacin se determina con:

Efecto de Sobre Elevacin en Curvas(2/2)Los radios mnimos de curvatura que se recomiendan en funcin del caudal, son:

Caudal (m3/s)Radio Mnimo (m)0.551105201060158020100

Replanteo inicial y final.

Movimiento de tierra: excavacin masiva, relleno, refine, nivelacin, compactacin, eliminacin de material excedente.

Encofrado y desencofrado.En la construccin debe considerarse:Costo de Construccin de Canales(1/5)Concreto u otro material de recubrimiento, refuerzo metlico.

Canal rectangular:

hc = y + h

ht = hc + e

B = b + 2 e

Vex = B H L

Vco = L ( B ht - b hc ) Costo de Construccin de Canales(2/5)

Canal trapezoidal:

hc = y + hht = hc + e

B = b + 2 z hc

B = b + 2 z ht

Vex = H L ( b + z H )

Vco = L [ ht ( b + z ht ) - hc ( b + z hc ) ]Costo de Construccin de Canales(3/5)

Canal triangular:

hc = y + hht = hc + e

B = 2 z hc

B = b + 2 z ht

Vex = H L ( b + z H )

Vco = L [ ht ( b + z ht ) - hc ( z hc ) ]Costo de Construccin de Canales(4/5)

Canal circular:

Vex = 0.5 ( B + B ) H L

Longitud de tubera.Costo de Construccin de Canales(5/5)