CRITERIOS PARA PARA DISEÑO DISE ÑO DE CANALES 1. Generalidades En un proyecto proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – canal abierto abierto o a presión -, regulación), regulación), por lo tanto, para desarrollar desarrollar el planteamiento planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infraestructura identificada en la etapa de campo canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc!), etc! ), obras especiales (bocatomas, desarenadores, t"neles, sifones, s ifones, etc) etc! #ara el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro cla$e en el dimensionamiento de las mismas y que esta asociado a la disponibilidad del recurso hídrico (hidrología), tipo de suelo, suelo, tipo de culti$o, condiciones climáticas, m%todos m%todos de riego, etc!, es decir mediante la con&unción de la relación agua – suelo – planta! planta! 'e manera manera que que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y eperiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola! 2. Canales de riego por su fu fun ni! i!n n
os canales de riego por sus diferentes funciones funciones adoptan adoptan las siguientes denominaciones* •
Canal de pri"er orden.# lamado tambi%n canal madre o de deri$ación y se le tra+a
siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el •
otro lado da con terrenos altos! Canal de segundo orden.# lamados tambi%n laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el
•
área de riego que sir$e un lateral se conoce como unidad de riego! Canal de $erer orden.# lamad lamados os tambi%n sub – laterales laterales y nacen de los canales canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades indi$iduales a tra$%s de las tomas del solar, el área de riego que sir$e un sub – lateral se conoce como unidad de rotación!
'e lo anterior de deduce que $arias unidades de rotación constituyen una unidad de riego, y $arias unidades de riego constituyen un sistema sistema de de riego, este sistema adopta el nombre o codificación del codificación del canal madre o de primer orden!
! Ele"en$os %&sios en el dise'o de anales e consideran elementos topográficos, geológicos, geot%cnicos, hidrológicos, hidráulicos, ambientales, agrológicos, entre otros! (.1
Tra)o de anales
.uando se trata de tra+ar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica* /otografías a%reas, imágenes satelitales, para locali+ar los poblados, caseríos, áreas de culti$o, $ías de comunicación, etc! #lanos topográficos y catastrales! Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda con&ugarse en el tra+o de canales! 0na $e+ obtenido los datos precisos, se procede a traba&ar en gabinete dando un tra+o preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los a&ustes necesarios, obteni%ndose finalmente el tra+o definiti$o! En el aso de no e*is$ir infor"ai!n $opogr&fia %&sia se procede a le$antar el
relie$e del canal, procediendo con los siguientes pasos* a. Reonoi"ien$o del $erreno.# e recorre la +ona, anotándose todos los detalles que
influyen en la determinación de un e&e probable de tra+o, determinándose el punto inicial y el punto final (georreferenciados)! %. Tra)o preli"inar.# e procede a le$antar la +ona con una brigada topográfica, cla$ando
en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el le$antamiento con teodolito, posteriormente a este le$antamiento se ni$elará la poligonal y se hará el le$antamiento de secciones trans$ersales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relie$e, la sección se hace a cada 1 m, si el terreno no muestra muchas $ariaciones y es uniforme la sección es máimo a cada 23 m! . Tra)o defini$i+o.# .on los datos de (b) se procede al tra+o definiti$o, teniendo en cuenta
la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la +ona y de la precisión que se desea* •
4errenos con pendiente trans$ersal mayor a 215, se recomienda escala de 6*133!
•
4errenos con pendiente trans$ersal menor a 215, se recomienda escalas de 6*6333 a 6*2333!
(.2 Radios ",ni"os en anales En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una cur$a cuyo radio
radios mayores al mínimo no significa ning"n ahorro de energía, es decir la cur$a no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo! as siguientes tablas indican radios mínimos seg"n el autor o la fuente* Ta%la N- 1 # Radio ",ni"o en funi!n al audal Capaidad del anal
Radio ",ni"o
7asta 63 m8s
9 ancho de la base
'e 63 a 6: m8s
: 9 ancho de la base
'e 6: a 6; m8s
1 9 ancho de la base
'e 6; a 23 m8s
< 9 ancho de la base
'e 23 m8s a mayor
; 9 ancho de la base
os radios mínimos deben ser redondeados hasta el próimo metro superior /uen$e0 In$erna$ional Ins$i$u$e /or Land Rela"a$ion And I"pro+e"en$ ILRI2 Prinipios 3 Apliaiones del Dre na4e2 To"o I52 6ageningen T7e Ne$7e rlands 189:. (
Ta%la N- 2 # Radio ",ni"o en anales a%ier$os para ; < 2 " =s Capaidad del
Radio
23
633 m
61
=3
63
<3
1
23
6
63
3,1 m 8s
1m
/uen$e0 >inis$erio de Agriul$ura 3 Ali"en$ai!n2 ?ole$,n T@nio N- 9 Consideraiones Generales so%re Canales Trape)oidales Li"a 189:.
Ta%la N-#( #. Radio ",ni"o en anales a%ier$os en funi!n del espe4o de agua Canal de riego Tipo
Ra
Canal de drena4e Tipo
Ra
ub – canal
:
.olector principal
1
ateral
.olector
1
ub – lateral ub – colector 1 iendo 4 el ancho superior del espe&o de agua /uen$e0 Sal)gi$$er Consul$ G>? Planifiai!n de Canales2 Bona Pilo$o /erre'afe To"o II= 1# Pro3e$o Tina4ones C7ila3o 18:.
! Ele"en$os de una ur+a
>
?
>rco, es la longitud de cur$a medida en cuerdas de 23 m
.
?
.uerda larga, es la cuerda que sub – tiende la cur$a desde #. hasta #4!
@
?
>ngulo de defleión, formado en el #A!
E
?
Eternal, es la distancia de #A a la cur$a medida en la bisectri+!
/
?
/lecha, es la longitud de la perpendicular ba&ada del punto medio de la cur$a a la cuerda
B
?
Brado, es el ángulo central!
.
?
ongitud de cur$a que une #. con #4!
#.
?
#rincipio de una cur$a!
#A
?
#unto de infleión!
?
#unto de tangente!
#
?
#unto sobre cur$a!
#
?
#unto sobre tangente!
C
?
Cadio de la cur$a!
4
?
ub tangente, distancia del #. al #A!
#4
(.
Rasan$e de un anal
0na $e+ definido el tra+o del canal, se proceden a dibu&ar el perfil longitudinal de dicho tra+o, las escalas más usuales son de 6*6333 ó 6*2333 para el sentido hori+ontal y 6*633 ó 6*233 para el sentido $ertical, normalmente la relación entre la escala hori+ontal y $ertical es de 6 a 63! El procesamiento de la información y dibu&o se puede efectuar empleando el softDare >04.>' .AFA ' (>04.>' clásico, >04.>' >G', >04.>' H># o >04.>' .AFA)! #ara el diseño de la rasante se debe tener en cuenta* a rasante se debe traba&ar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del tra+o 4ener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los
a pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimi+ar el mo$imiento de tierras), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua! #ara definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes ca&as hidráulicas, chequeando la $elocidad obtenida en relación con el tipo de re$estimiento a proyectar o si $a ser en lecho natural, tambi%n se tiene la máima eficiencia o mínima infiltración! El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información!
Iilometra&e
.ota de terreno
JHs (cada 133 ó 6333 m)
.ota de rasante
#endiente
Andicación de las defleiones del tra+o con los elementos de cur$a
0bicación de las obras de arte
ección o secciones hidráulicas del canal, indicando su Kilometra&e
4ipo de suelo
.uadro con elementos geom%tricos e hidráulicos del diseño
Sei!n $,pia de un anal
Donde0 T >ncho superior del canal % #lantilla
C Jerma del camino, puede ser* 3,1 3,;1 6,33 m!, seg"n el canal sea de tercer, segundo
o primer orden respecti$amente!
5 >ncho del camino de $igilancia, puede ser* : y < m!, seg"n el canal sea de tercer,
segundo o primer orden respecti$amente! >ltura de ca&a o profundidad de rasante del canal!
En algunos casos el camino de $igilancia puede ir en ambos márgenes, seg"n las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 3,63 m! a $eces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del tráfico! !1 Sei!n idr&ulia Op$i"a Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica
e dice que un canal es de máima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal posible, %sta condición está referida a un perímetro h"medo mínimo, la ecuación que determina la sección de máima eficiencia hidráulica es* b2 * tg y 2
iendo
θ
el ángulo que forma el talud con la hori+ontal, arctan (68+), % plantilla del canal y y
tirante o altura de agua.
Determinación de Mínima Infiltración
e aplica cuando se quiere obtener la menor p%rdida 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* a siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda!
b4 * tg y 2 Ta%la N- #. Relai!n plan$illa +s $iran$e para "&*i"a efiienia ",ni"a infil$rai!n 3 el pro"edio de a"%as. Talu d Fertical 68:*6 682*6 :8;*6 8:*6 6*6 6O 6P 2*6
Angulo
L3M3 ;1M1 <M2 <3M6 1M3 :1M3 =M: M: 2
>&*i"a Efiienia 2!3333 6!1<6< 6!2<6 6!6<3< 6!3333 3!=2=: 3!;36< 3!<31< 3 :;26
>,ni"a Infil$rai!n :!3333 !626 2!:;26 2!26 2!3333 6!<1
Pro"edio
!33 2!: 6!=1 6!;: 6!13 6!2: 6!31 3!L3 3 ;3
'e todas las secciones trape+oidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la hori+ontal es <3M, además para cualquier sección de máima eficiencia debe cumplirse* C ? y82 'onde* R Cadio hidráulico 3 4irante del canal
Go 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! !< Dise'o de seiones 7idr&ulias e debe tener en cuenta ciertos factores, tales como* tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, $elocidad máima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc! a ecuación más utili+ada es la de Hanning o tricKler, y su epresión es*
Q 1 AR n
2/3
S
1/2
Donde0
; .audal (m 8s) n Cugosidad 2
A Qrea (m ) R Cadio hidráulico ? Qrea de la sección h"meda 8 #erímetro h"medo
En la tabla GR <, se muestran las secciones más utili+adas! Cri$erios de dise'o
e tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, los cuales tendrán en cuenta* el caudal a conducir, factores geom%tricos e hidráulicos de la sección, materiales de re$estimiento, la topografía eistente, la geología y geotecnia de la +ona, los materiales disponibles en la +ona o en el mercado más cercano, costos de materiales, disponibilidad de mano de obra calificada, tecnología actual, optimi+ación económica, socioeconomía de los beneficiarios, climatología, altitud, etc! i se tiene en cuenta todos estos factores, se llegará a una solución t%cnica y económica más con$eniente!
aF
Rugosidad.# Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del
mismo, $egetación, irregularidad y tra+ado 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 tra+ado uniforme, sin embargo el $alor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conser$ará con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad! En canales proyectados con re$estimiento, la rugosidad es función del material usado, que puede ser de concreto, geomanta, tubería #F. ó 7'# ó metálica, o si $an a traba&ar a presión atmosf%rica o presuri+ados! a siguiente tabla nos da $alores de SnT estimados, estos $alores pueden ser refutados con in$estigaciones y manuales, sin embargo no de&an de ser una referencia para el diseño* Ta %la N- # 5a lore s de rugosida d Hn de >a nning n
Superfiie
3!363
Huy lisa, $idrio, plástico, cobre!
3!366
.oncreto muy liso!
3!36
Hadera sua$e, metal, concreto frotachado!
3!36;
.anales de tierra en buenas condiciones!
3!323
.anales naturales de tierra, libres de $egetación!
3!321
.anales naturales con alguna $egetación y piedras esparcidas en el fondo
3!31
.anales naturales con abundante $egetación!
3!3:3
>rroyos de montaña con muchas piedras!
Ta%la N- J # Relaiones geo"@$rias de las seione s $ran s+ersa les "& s freuen$e s
%F
Talud apropiado segKn el $ipo de "a$erial.# a inclinación de las paredes laterales
de un canal, depende de $arios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alo&ados, la 0!! J0CE>0 / CE.>H>4AG recomienda un talud "nico de 6,1*6 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material* Ta%la N- 9 # Taludes apropiados para dis$in$os $ipos de "a$erial >ATERIAL
Coca uelos de turba y detritos >rcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto 4ierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales >rcilla firma o tierra en canales pequeños 4ierra arenosa suelta Breda arenosa o arcilla porosa
TALD M7 0 +F #rácticamente $ertical 3!21 * 6 3!1 * 6 hasta 6*6 6*6 6!1 * 6 2*6 *6
/uen$e0 Aguirre Pe2 uli&n2 Hidr&ulia de anales2 Den$ro In$era"eriano de Desarrollo de Aguas 3 Tierras CIDIAT2 >erida2 5ene)uela2 189
Ta%la N- : # Pendien$es la$erales en anales segKn $ipo de suelo >ATERIAL
Coca en buenas condiciones >rcillas compactas o conglomerados imos arcillosos imos arenosos >renas sueltas .oncreto
CANALES POCO Fertical 3!1 6* 6!1 2* 6*
CANALE S
3!21 * 6 6* 6!1 2* * 6!1
/uen$e0 Aguirre Pe2 uli&n2 Hidr&ulia de anales2 Den$ro In$era"eriano de Desarrollo de Aguas 3 Tierras CIDIAT2 >erida2 5ene)uela2 189
F
5eloidades "&*i"a 3 ",ni"a per"isi%le!- a $elocidad mínima permisible es
aquella $elocidad que no permite sedimentación, este $alor es muy $ariable y no puede ser determinado con eactitud, cuando el agua fluye sin limo este $alor carece de importancia, pero la ba&a $elocidad fa$orece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra! El $alor de 3!= m8seg se considera como la $elocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal! a $elocidad máima permisible, algo bastante comple&o y generalmente se estima empleando la eperiencia local o el &uicio del ingeniero las siguientes tablas nos dan $alores sugeridos! Ta%la N- # 8. >&*i"a +eloidad per"i$ida en anales no reu%ier$os de +ege$ai!n >ATERIAL DE LA CAA DEL CANAL
>rena fina coloidal /ranco arenoso no coloidal /ranco limoso no coloidal imos alu$iales no coloidales /ranco consistente normal .eni+a $olcánica >rcilla consistente muy coloidal imo alu$ial coloidal #i+arra y capas duras Bra$a fina uelo franco clasificado no coloidal uelo franco clasificado Bra$a gruesa no coloidal Bra$as y gui&arros
Hn >annin g
5eloidad M"=sF Agua limpia
Agua con partícul
Agua transportando arena, graa o
3!323 3!323 3!323 3!323 3!323 3!323 3!321 3!321 3!321 3!323 3!33
6!:1 3!1 3!<3 3!<3 3!;1 3!;1 6!6 6!6 6!=3 3!;1 6!6
3!:1 3!<3 3!<3 3!<3 3!<= 3!<3 3!L3 3!L3 6!13 6!6 3!L3
3!33 3!321 3!31
6!23 6!23 6!=3
3! 3! 3! 6! 6! 6! 6! 6! 6! 6! 6! 13 6! 6! 6!
6!13 6!L1 6!13
/uen$e0 Oro7in S+ia$osla+. Dise'o idr&ulio2 Ed. >IR2 >osK2 189:
#ara $elocidades máimas, en general, los canales $ie&os soportan mayores $elocidades que los nue$os además un canal profundo conducirá el agua a mayores $elocidades sin erosión, que otros menos profundos!
Ta%la N- #1 #. 5eloidades "&*i"as en 7or"ig!n en funi!n de su resis$enia. RESISTENCI A
PRO/NDIDAD DEL TIRANTE M"F !"#
13 ;1 633 613 233
L 66!2 62!; 6:!3 61!<
$
6 6 6 6 6
%
6 6 6 6 2
#
$
6!3 61!2 6;!3 6L!6 26!2
6 6 6 2 2
/uen$e0 Oro7in S+ia$osla+. Dise'o idr&ulio2 Ed. >IR2 >osK2 189:
a 4abla GR 63, da $alores de $elocidad admisibles altos, sin embargo la 0!! J0CE>0 / CE.>H>4AG, recomienda que para el caso de re$estimiento de canales de hormigón no armado, las $elocidades no deben eceder de 2!1 – !3 m8seg! #ara e$itar la posibilidad de que el re$estimiento se le$ante! .uando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de ali$io lateral, se debe tener en cuenta que las $elocidades tienen que ser pre$iamente controladas (po+as de regulación), con la finalidad que no se produ+ca turbulencias que originen perturbaciones y no puedan cumplir con su ob&eti$o! dF
?orde li%re.# Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no eiste
ninguna regla fi&a que se pueda aceptar uni$ersalmente para el cálculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables! a 0!! J0CE>0 / CE.>H>4AG recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula* 'onde*
BordeLibre CY Jorde libre* en pies C 6!1 para caudales menores a 23 pies 8 seg!, y hasta 2!1 para caudales del orden de los
333 pies8seg! Q 4irante del canal en pies a secretaría de Cecursos 7idráulicos de H%ico, recomienda los siguientes $alores en función del caudal* Ta%la N- 11 #. ?orde li%re en funi!n del audal Caudal "(=seg ≤ 3! 3!31 – 3!21 3 21 – 3 13
Re+es$ido M"F ;!1 63!3 23 3
Sin re+es$ir M"F 63!3 23!3 :3
>
6!
3!3
<3!3
/uen$e0 >inis$erio de Agriul$ura 3 Ali"en$ai!n2 ?ole$,n T@nio N# 9 HConsideraiones Generales so%re Canales Trape)oidales Li"a 189:
Háimo Fillón J%&ar, sugiere $alores en función de la plantilla del canal* Ta%la N- #12 #. ?orde li%re en funi!n de la plan$illa del anal An7o de la plan$illa M"F 7asta 3!= – 6!1 – !3 –
?orde li%re M"F 3!: 3!1 3!< 6!3
/uen$e0 5ill!n ?@4ar2 >&*i"o Hidr&ulia de anales2 Dp$o. De Ingenier,a Agr,ola Ins$i$u$o Tenol!gio de Cos$a Ria2 Edi$orial o)lo2 Li" a2 18:1
!; Cri$erios de espesor de re+es$i"ien$o Go eiste una regla general para definir los espesores del re$estimiento de concreto, sin embargo seg"n la eperiencia acumulada en la construcción de canales en el país, se puede usar un espesor de 1 a ;!; cm para canales pequeños y medianos, y 63 a 61 cm para canales medianos y grandes, siempre que estos se diseñen sin armadura! En el caso particular que se quiera proyectar un re$estimiento con geomembranas, se tiene que tener en cuenta las siguientes consideraciones* #ara canales pequeños se debe usar geomembrana de #F. y para canales grandes geomembrana de polietileno - 7'#! os espesores de la geomembrana, $arían entre 6 a 6!1 mm i el canal se ubica en +onas en donde puede ser $igilado permanentemente, por lo tanto no puede ser afectada la membrana! .aracterísticas y cuidado en la acti$idades de operación y mantenimiento 4%cnica y cuidados de instalación de la geomembrana El grupo social a ser$ir tiene que capacitado para el mane&o de dicho tipo de re$estimiento! 4ambi%n se puede usar asociada la geomembrana con un re$estimiento de concreto la geomembrana act"a como elemento impermeabili+ante (el concreto se deteriora con las ba&as temperaturas) y el concreto como elemento de
protección, sobre todo cuando se trata de obras ubicadas por encima de los :, 333 m!s!n!m! o +onas desoladas!
