Diseño Hidráulico de Obras de Arte. IntroducciónPPT

DISEÑO DE CANALES
HIDRAULICOS
Y OBRAS DE ARTE
PROYECTOY CONSTRUCCION
14 de Noviembre, 2020

Seccion-1 de 6
I. FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO DE UN CANAL
II. PERDIDAS DE AGUA EN CANALES
III.ESTUDIO Y DEFINICION DEL TRAZO DE UN CANAL Y DE LAS
OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS
2 19/03/2024 Agregar un pie de página

I. FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO DE UN CANAL
1.1.- Generalidades
Un canal no es más que una conducción artificial abierta que sirve para
transportar agua, a modo de un rio hecho por la mano del hombre.
El agua que circula por su interior tiene una cierta velocidad, por lo que se
producen esfuerzos mecánicos entre el agua y las paredes y fondo del canal,
debidos al rozamiento entre ambos.
La influencia es mutua, el rozamiento de la superficie interior mojada del canal
sobre el agua tiende a frenar su movimiento. Por otro lado, el agua tiende a
erosionar las paredes y fondo del canal, transportando las partículas arrancadas.

Vista que muestra un canal trapecial de concreto

1.2).-Caudal circulante por un canal
La interrelación entre la fuerza erosiva del agua por un lado y de fuerza de
rozamiento del terreno sobre el agua por otro, nos ha conducido a poder
calcular la fuerza tractriz y en consecuencia la velocidad correspondiente del
agua que produce esta fuerza.
En Teoría Hidráulica las pérdidas de carga en Canales (con movimiento
turbulento) es proporcional al cuadrado de la velocidad.
Relacionando la fuerza tractriz con la velocidad se pudo deducir la velocidad en
función del Radio hidráulico y la pendiente, que es conocida como la fórmula de
Chezy.

Luego Manning complemento la fórmula dando lugar a la fórmula que lleva su nombre que
es:
Formula de Manning
v = 1/n. R2/3S1/2
V, es la velocidad en m/s
en el que “n” es un coeficiente de rugosidad.
R, es el Radio hidráulico en m, R=A/p
Donde A, es el área del flujo en m2
P, es el perímetro húmedo del canal en m.
S, es la Pendiente de la línea de energía (en flujo uniforme asumida igual a la rasante de
fondo del canal).

1.3).-Variación de la velocidad a lo largo de un canal
La velocidad del agua no es uniforme en toda la sección transversal del canal. El
rozamiento con las paredes hace que el agua más próxima a éstas se mueva
más lentamente.
El efecto del frenado se va transmitiendo a las aguas más alejadas, hasta llegar a
una zona donde la velocidad es máxima.
La velocidad deducida de las fórmulas de Chezy, Manning, Bazin, etc.,
corresponden a la velocidad media.

Curvas de igual velocidad en diferentes secciones de canal

1.4).-Velocidades subcríticas y supercríticas
Cuando la velocidad en el canal es lenta (más conocida como menor que la crítica) las
perturbaciones temporales producidas por compuertas, tomas derivadas, variaciones
del funcionamiento de turbinas, etc., influyen desde aguas abajo hacia aguas arriba, por
lo que el estudio de la variación de la lámina debe hacerse empezando por aguas abajo.
Si se trata de un tramo de canal en régimen supercrítico (velocidad mayor que la crítica),
la parte de aguas arriba no sufre ninguna influencia por las variaciones temporales de la
parte de aguas abajo; por el contrario es ella la que impone el régimen de aguas abajo,
por lo que el estudio de la variación de la lámina debe hacerse en el sentido del agua.

La velocidad critica en un canal rectangular, es:
vc = (g dc)1/2
Siendo dc la profundidad critica.
dc = (q2/g)(1/3)
Donde : q = Q/b
Q=caudal en m3/s
b = ancho del canal en m

Numero de Froude
El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por una relación de las
fuerzas de la inercia a las fuerzas de gravedad, esta relación se da por el numero de Froude,
definido
asi:
F = v/(g D)1/2
Donde:
v es la velocidad media del flujo,
g es la aceleración de la gravedad y
D en un canal abierto es igual a la profundidad hidráulica, que se define como :
D = A/T = Área/Ancho de la superficie libre del agua
Cuando F=1, la ecuación da v=(g D)1/2
Y el flujo se dice que está en estado crítico.
Si F<1 el flujo es subcritico
Si F>1 el flujo es supercrítico

II. PERDIDAS DE AGUA EN CANALES
2.1).- Su importancia
Según estudios efectuados, alrededor de una tercera parte del agua que en el mundo se deriva a
través de canales de riego se pierde durante el transporte. Otra tercera parte del agua se pierde
en la parcela o las áreas de cultivo cuando se aplica el riego. Por lo tanto solo una tercera parte es
de aplicación útil.
Existen referencias mundiales, en los que en los canales se pierde el 45% del agua que
transportan.
El agua es en muchos países del globo un elemento escaso, por lo que es indispensable su
utilización racional.
Cuando se pierde agua en los canales hay que preguntarse qué beneficios representaría el haber
hecho en su momento unos canales menos permeables o el mejorar la impermeabilidad de los
existentes y la rentabilidad de esta inversión. En el caso de canales de riego, por ejemplo, el
ahorro de pérdidas está claro que podría suponer la puesta en riego de nuevas zonas agrícolas,
con fuertes incrementos de la producción.

Al llegar a este punto se nos presenta una pregunta importante. Dado que las
obras que podemos construir, reparar, mejorar, rehabilitar y manejar no pueden
ser perfectas y forzosamente tendrán siempre algunas perdidas, ¿ A qué cifras
máximas podemos aspirar y que posibilidades técnicas de conseguirlo tenemos
???
Con frecuencia se considera entre 25 y 50 litros/m2 en 24 horas (25 y 50 l/m2/día)
cumple adecuadamente su cometido. Esta cifra no está claramente definida,
pero representa un orden de magnitud aceptado internacionalmente en
general.
Puesto que somos conscientes de que no podremos en general diseñar y
construir canales que no tengan perdidas, tenemos que sobredimensionar su
capacidad para conducir no solo el caudal deseado, sino además las pérdidas.
Tradicionalmente, con un margen de seguridad y siempre que se extremen las
precauciones en el diseño y construcción del canal, se incrementa el caudal de
cálculo en un 10% por este concepto.

Esquema de perdida de agua en la sección de un canal

2.2).- Causas que influyen en las perdidas de agua por filtración
Las perdidas máximas por filtración en 24 horas a las que aspiramos equivalen a
una altura de agua de 2.5 cm a 5 cm sobre la superficie interior mojada del canal,
cifra que a muchos no le parecerá despreciable.
Hay que tener en cuenta que el valor que adquieren las filtraciones en un canal
influyen diversas causas.
.- Permeabilidad
La más importante es la permeabilidad del terreno y junto con ella la calidad del
revestimiento (si lo tiene) y su estado de conservación.

.- Forma de la sección
La forma de la sección transversal del canal es también importante. Un tirante de agua
grande hace que la presión hidrostática sobre el fondo aumente las perdidas,
suponiendo naturalmente una capa freática más profunda que el fondo del canal. Es
evidente que la perdida será mayor en canales de grandes dimensiones que con
limitado tamaño, no solo por su mayor superficie de filtración, sino por la mayor presión
de filtración que supone una gran profundidad.
.- Cantidad de sedimentos
La cantidad de sedimentos en suspensión o arrastrados por el agua tiene gran
trascendencia. Si hay limo, al filtrarse el agua por el terreno arrastra partículas finas que
poco a poco se van sedimentando entre los huecos del terreno, colmatándolo y
disminuyendo su permeabilidad. Por el contrario, las aguas muy claras, al filtrarse,
arrastran las partículas más finas del suelo, con lo que la permeabilidad aumenta.

.- Frecuencia de uso del canal
La frecuencia de los periodos de uso del canal influyen también en las filtraciones. No hay
que olvidar que el suelo, al humedecerse sufre un entumecimiento y por el contrario, al
secarse, una retracción. En los periodos de retracción aparecen grietas, que aunque a veces
sean minúsculas, facilitan las perdidas.
.- Edad del canal
La edad del canal es un dato nada despreciable. Como todos los seres y las cosas, se deteriora
con el paso del tiempo.
.- Condiciones climáticas
Las condiciones climatológicas afectan al canal no solo porque sean más o menos duras y por
tanto más difíciles de soportar sin deterioro, sino porque en los periodos secos el terreno
evapora el agua más fácilmente y las filtraciones aumentan reemplazando esta falta de
humedad.

.- La vegetación
La vegetación próxima al canal disloca con sus raíces la estructura del suelo,
creando caminos de filtración. Por razones estéticas se hacen con frecuencia
plantaciones de árboles a lo largo del canal y sobre todo junto a su camino de
servicio, ya que además son fáciles de mantener con riego del propio canal. No
puede negarse su uso, sino pedir que no estén muy próximos al canal.

2.3).- Formas de medir las perdidas por filtración
1.- Mediante cilindros infiltrometros
Consiste en colocar un cilindro sobre el fondo del canal y con su misma
profundidad, deducir las filtraciones. Basta con rellenarlo de agua y al cabo de
24 horas cubicar el volumen original y por lo que ha descendido su nivel, calcular
el volumen filtrado.
Dividiendo este por la superficie mojada interior del piso, tendremos una cifra
que según sea mayor o menor que 25 o 50 litros por m2 en 24 horas, nos
indicara si el terreno tiene o no impermeabilidad suficiente.

2.- Mediante estancamiento de un tramo de canal
Consiste en cerrar mediante ataguías, un tramo definido de canal, que se rellena
con agua. Al cabo de un cierto tiempo (por ejemplo 24 horas) se miden los
descensos de niveles y se pueden calcular la filtración por metro cuadrado. El
inconveniente aquí, y en el método anterior, es que el canal debe estar fuera de
servicio.

3.- Mediante aforos
El sistema más utilizado, consiste en medir las velocidades de agua en el canal
durante un servicio normal, por medio de un correntómetro. Como las
velocidades en los distintos puntos de la sección transversal del canal no son
iguales, hay que tomar varias medidas en cada sección e integrar los resultados.
Se debe tener en cuenta no tener tomas laterales en el tramo a evaluar. Las
diferencias de caudal circulante entre distintos tramos nos dan las filtraciones
existentes.

2.4).- Formas de combatir las filtraciones en un canal
Una forma de combatir la filtración es buscar la impermeabilidad. La más
importante es el revestimiento el cual puede hacerse con diferentes materiales.
La causa más importante para revestir un canal es conseguir una mayor
resistencia frente a la erosión del agua, problema muy importante en muchos
canales de tierra.
Otra posible justificación es que un canal revestido tiene un mejor coeficiente
de rugosidad y por tanto tiene mayor capacidad de transporte.

2.5).- Canales que no se deben revestir. Canales de drenaje
Hay un tipo de canales en los que el revestimiento esta especialmente
desaconsejado. Nos referimos a los canales de drenaje, los cuales tienen por
finalidad no el conducir agua desde un punto de alimentación sino a un lugar
de evacuación.
Estos canales deben estar sin revestir para poder admitir libremente las aguas
que se filtren del terreno por sus taludes y de esta forma cumplen su acción
de drenaje.
Muchas veces los canales de drenaje deben tener gran profundidad, lo que
origina que su sección transversal sea mas grande que lo que exigirían los
caudales a transportar. Si el canal es de forma trapecial, es corriente hacerle
una base muy estrecha, por ejemplo de 1.00 m de ancho, con los taludes
exigidos para la estabilidad de tierras.

Foto que
muestra
trabajos
de
limpieza
de un
Dren en el
Chira

2.6).-Tipos de revestimiento
El revestimiento más usado en el mundo es el de concreto ejecutado in situ.El
espesor mayormente utilizado en el Perú es de aprox. 7.5 cm.
Su impermeabilidad es magnífica, siempre que no se fisure a causa de esfuerzos
térmicos y de movimientos de terreno. No es conveniente su uso con espesores
menores de los indicados pues se fisura y destruye fácilmente.
Algunas veces se utilizan revestimientos de concreto armado con barras de
fierro, para luchar contra la fisuración. La principal objeción es su mayor costo
con relación al concreto simple. Solo suele usarse en casos especiales.
Es interesante conocer que en EEUU el porcentaje de longitud de canales de
cada tipo que se construyeron, según el Bureau of Reclamation, entre los años
1963 y 1986, es el siguiente:
Concreto armado y no armado 58 %
Tierra compactada 27 %
Membranas y revestimientos asfalticos 7 %

Vista que muestra el revestimiento de un canal de tierra con concreto simple

III. ESTUDIO Y DEFINICION DEL TRAZO DE UN CANAL Y DE
LAS OBRAS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS
3.1.- Introducción
Los canales tienen dos (2) características importantes.
Una de ellas es que son obras lineales, de gran longitud, por lo que atraviesan a lo largo de su recorrido
terrenos de muy diversas categorías, con problemáticas a veces muy diferentes, que exigen soluciones
locales distintas, llegando incluso a tener que usar secciones de canal de diferente morfología o
dimensiones, ajustándolas a las circunstancias de cada caso.
La otra característica fundamental es que el costo de la obra depende en gran medida del ajuste de la
obra al terreno (topografía, geotecnia, elección adecuada de la maquinaria, etc.), con lo cual los estudios
previos, el diseño definitivo y la construcción deben estar íntimamente relacionados.
Es evidente que para el estudio del trazado del canal es imprescindible la disponibilidad de planos
topográficos adecuados, complementados con la visita personal frecuente y minuciosa al terreno por el
personal técnico.

3.2.- Estudios básicos
a.-Topográficos
La escala de los planos a utilizar depende como es lógico del grado del avance del
estudio y de la dificultad del terreno. Para planos definitivos de proyecto suele
considerarse necesario disponer de planos a escala 1/2000 con curvas de nivel cada
0.50m o a 1.00 m de separación si la escala es muy grande. La franja a levantar
debe haberse elegido a la vista de tanteos hechos sobre planos a 1/10,000, con
curvas cada 5.00 m de separación.
Hay que prever las variaciones de trazo que puedan surgir como consecuencia de
tener que incluir túneles, acueductos, etc.

b.- Geológico – Geotécnico
El estudio geológico es siempre muy útil, pues encaja un poco la problemática
de la zona y señala las zonas en las que puede que sea necesario un estudio
geotécnico detallado posterior.
Se debe hacer un sondeo sistemático a lo largo del trazo del canal, clasificando y
analizando los suelos en profundidad.
La finalidad de los sondeos es conocer los terrenos que nos encontraremos al
excavar.
El conocimiento de la clase de terrenos y sus características permitirán hacer los
estudios necesarios de estabilidad de taludes, drenaje, etc.

c.- Caudales
El estudio de caudales a transportar por un canal suele venir dado como
resultado de estudios agronómicos para los canales de riego.
Se supone que en la fase de estudio del canal los caudales se encuentran
suficientemente definidos.
También pueden ser datos básicos del proyecto el abastecer a puntos o zanas
determinadas, lo que condiciona el trazo del canal.

3.3.-Trazo preliminar
Con la intervencion de las formulas software hidraulicas (Hcanales), se puede
hacer un primer tanteo de las secciones transversales y pendientes a adopter. Se
puede entonces adopter un primer trazado que se ajuste a los
condicionamientos basicos exigidos al canal y a las suaves pendientes que en
general se tendran que adopter (1 por mil o 0.001). Muchas veces el canal
debera seguir un trazo a media ladera, casi siguiendo una curva de nivel.
Los sondeos seran en general poco profundos (salvo casos especiales de
puentes-canal o tuneles), ya que la profundidad de excavacion para el canal, por
muy grandes que sean, no seran mayores a los 3 o 4 m.
La frecuencia de los sondeos y de la clasificacion de suelos depende de la
variabilidad de los terrenos. En ningun caso, para un Proyecto definitivo, los
sondeos deben estar separados mas de 100 metros.
En este primer trazo es importante detector los servicios afectados que van a
influir en el Proyecto definitivo, como son: carreteras, tuberias de conduccion,
viviendas, etc. que pueden dar lugar a ligeras variaciones del trazo.

3.4.- Proyecto de Replanteo
Dadas las pequeñas pendientes que en general tienen los canales, hay que realizar una
nivelacion de precision que enlace con la red nacional y que se extienda a lo largo del
canal. Se debe dejar referencias de nivel en hitos de concreto de suficiente volumen
para asegurar su permanencia, aproximadamente cada kilometro, los cuales se deben
colocar fuera del trazo del canal para que no queden afectados por la propia
excavacion.
El eje del canal se materializa sobre el terreno mediante estacas colocadas en todos los
puntos altos o bajos como minimo cada 50 metros. En cada uno de estos puntos se
levanta un perfil transversal, a fin de poder saber en cada momento como estaba el
terreno originalemente.
Los vertices o puntos de interseccion (PIs) del canal son puntos fundamentales en el
replanteo y debe quedar marcados en el campo.
Deben estudiarse con detalle las curvas, que para producir perdidas de carga pequeñas,
deberan tener radios minimos iguales a cinco veces el ancho maximo del canal, y en los
canales grandes a ser revestidos con concreto, hechos con maquinas de encofrado
deslizante, el radio minimo a adoptar es de 20 m.
En el caso de canales con camino de servicio, las condiciones del trafico de vehiculos
puede acondicionar el radio de las curvas del canal, iguales o parecidas a las del camino.

Revestimiento
de un canal
con maquina
de encofrado
deslizante

3.5.- Previsión del proceso de construcción
La gran longitud de los canales obliga a prever caminos de acceso para la construcción
de los diferentes tramos, sin olvidar su conexión con las instalaciones de preparación de
materiales para la ejecución del revestimiento.
La expropiación previa o compra de los necesarios terrenos es pues imprescindible.
En un estudio realizado sobre 33 canales españoles, todos ellos con revestimiento de
concreto, se dan cifras detalladas sobre distintos aspectos de los costos. Deduciendo los
costos de obras de arte, el costo final puede resumirse de la forma siguiente:
Explanación 31%
Excavación de Caja de canal 10,5 %
Refine de la caja del canal 5,3 %
Revestimiento 53 %
Algunas veces habrá que proyectar caminos o bermas que se pueden acondicionar y
otras habrá incluso que prever la construcción de caminos de obra nuevos, sin olvidar los
problemas de encharcamiento por falta de drenaje.

Hay que prever que antes de la excavación propiamente dicha se proceda a la limpieza
y/o deforestación, si hay lugar a ello, transportándola a bancos de escombros.
Algunas secciones del canal están totalmente excavadas en el terreno, otras totalmente
construidas en relleno, pero lo mas normal y recomendable es que tengan una sección
transversal que este parte en excavación y parte en relleno.
Existen dos sistemas de construir las secciones transversales mixtas en
excavación/relleno. Una de ellas consiste en obtener primero una explanación completa
del conjunto canal/camino, con la compactación necesaria en la parte del relleno,
excavando a continuación la caja del canal. La otra consiste en hacer primero el relleno en
una zona que luego se excava la caja del canal.
Es muy importante analizar previamente la climatología de la zona, para prever las
épocas de posible trabajo, en las que la lluvia u otros impedimentos no impidan la
ejecución de los trabajos (por ejemplo el uso del canal para riego en época de avenidas).

No hay que olvidar que un canal de unas dimensiones medianas o grandes, una
vez construido, es una barrera casi infranqueable para vehículos y peatones.
Desde el comienzo de ejecución de las obras, debe tenerse en cuenta la
preocupación de la construcción de pases y obras de cruce en los caminos y
veredas existentes, antes que queden cortados por el canal.

En la construcción de un canal hace falta agua, para conseguir que las tierras
tengan la máxima densidad Proctor obtenida en laboratorio y para la
fabricación del concreto. Si el canal se hace desde su toima principal hacia aguas
abajo, se resuelven ambos problemas.
Si existen problemas de ancharcamiento y capas freaticas altas, la primera
operacion a realizar es drenar las aguas y conseguir la desecacion de los
terrenos.
Los canales de drenaje, por su propia finalidad, se suelen hacer en zonas bajas,
donde es normal el ancharcamiento.
La eliminacion o el desvio de las aguas superficiales y freaticas, en un canal de
drenaje, es un problema basico a resolver. En estos casos se debe ejecutar la
construccion del canal desde aguas abajo, remontando la excavacion hacias
aguas arriba, para dar salida por gravedad a las aguas, aprovechando los tramos
construidos.

Practica
Elementos de una Curva de un Canal

Datos de la Poligonal del trazo de un canal
PI DIST. ACUMULADA DIST < DEFLEXIÓN
m. m. G M S
PI-00
PI-01 17,368 17,368 8 35 39,5
PI-02 88,670 71,302 34 38 27,4
PI-03 139,014 50,344 32 50 8,8
PI-04 171,696 32,681 15 55 28,0
PI-05 209,949 38,253 32 16 40,4
PI-06 235,665 25,717 51 18 35,3
PI-07 277,177 41,512 75 16 0,6
PI-08 305,496 28,319 76 47 31,5
PI-09 360,446 54,949 40 41 7,1
PI-10 401,039 40,594 41 26 56,2
PI-11 455,547 54,508 45 18 9,6
PI-12 472,537 16,990 34 11 1,4
PI-13 538,607 66,070 28 34 28,4
PI-14 623,314 84,707 40 17 16,2
PI-15 644,534 21,220 59 9 12,3
PI-16 698,622 54,087 62 40 37,3
PI-17 805,400 106,779 13 11 50,5
PI-18 913,998 108,598 21 33 20,3
PI-19 966,783 52,785 65 27 36,4
PI-20 1.024,079 57,296

Características Geométricas e Hidráulicas del Canal
L Q S b y H T z n v A p R BL
INICIAL FINAL m m3/s m m m m m/s m2 m m m
0+000,00 0+057,90 57,90 1,50 0,001 0,70 0,804 1,10 2,309 1 0,014 1,240 1,210 2,975 0,407 0,547 0,30
PROGRESIVA No.
Froud
KM0+000AKM1+000
RADIO MINIMO
3T 10y

CALCULO DE LA RASANTE DE FONDO DEL CANAL
PI's PROG. COTA TERRENO CORA RASANTE CORTE= CT-CR ESTRUCTURA
0+000,000 2898,271 2896,511 1,760 INICIO CANAL
0+020,000 2920,907
0+040,000 2920,758
0+060,000 2920,819
0+080,000 2920,915
0+100,000 2920,825
0+120,000 2920,91
0+140,000 2920,991
0+160,000 2920,819
0+180,000 2920,752
0+200,000 2920,879
0+220,000 2920,886
0+240,000 2920,893
0+260,000 2920,792
0+280,000 2918,594
0+300,000 2920,657
0+320,000 2920,036
0+340,000 2920,028
0+360,000 2920,224
0+380,000 2920,482
0+400,000 2920,665
0+420,000 2920,580
0+440,000 2920,811
0+460,000 2920,932
0+480,000 2919,965
0+500,000 2920,323

CALCULO DE LA RASANTE DE FONDO DEL
CANAL
0+500,000 2920,323
0+520,000 2920,851
0+540,000 2920,889
0+560,000 2920,789
0+580,000 2920,857
0+600,000 2919,885
0+620,000 2919,909
0+640,000 2920,954
0+660,000 2919,875
0+680,000 2919,901
0+700,000 2920,735
0+720,000 2920,734
0+740,000 2920,568
0+760,000 2920,725
0+780,000 2920,811
0+800,000 2920,688
0+820,000 2920,688
0+840,000 2919,831
0+860,000 2919,788
0+880,000 2919,81
0+900,000 2919,898
0+920,000 2920,813
0+940,000 2920,363
0+960,000 2919,818
0+980,000 2919,826
1+000,000 2919,806

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