PERMEABILIDAD EN CANALES
Determinación de las pérdidas de infiltración en un canal
Este parámetro resulta de gran importancia para la evaluación económica de los canales que se van a ejecutar o de los que ya están construidos, el cálculo se efectúa en base a un examen de las propiedades hidráulicas del suelo donde intervienen muchas variables, razón por la cual, aún no se ha establecido ninguna regla general para el cálculo de este valor. Se considera de gran importancia antes de dar inicio a las obras, el estudio del perfil estratigráfico del suelo donde se construirá el canal, para esto se hacen perforaciones a lo largo del eje hasta una profundidad que vaya más allá del fondo (plantilla) del canal en uno o dos metros, las perforaciones pueden hacerse con el “AugerHole” o barreno tipo holandés (posteadora manual), uno cada 100 o 200 metros,
dependiendo de la longitud del canal. Por ejemplo, un canal de 1 km. Se podría perforar cada 100 metros con lo cual resultarían 11 perforaciones que muy comodamente podrían hacerse hacerse en un día de labor. Con la información obtenida en campo, se elabora el perfil estratigráfico o textural, ver Tabla 3.4. Método de campo
El ensayo que a continuación se describe, si bien no tiene una exactitud muy grande, sirve para los fines indicados, el siguiente es el método que presenta SINAMOS (17 )pag. 12. a) Equipo necesario:
01 01 01 01 01
Tubo de diámetro 2” x 1,0 mtro. Metro o wincha Recipiente pequeño para agua Recipiente con capacidad de 20 litros Reloj o cronómetro
b) Procedimiento o
o
o
o
Se excava una calicata de 1,0 x 1,0 mts. Cuyp fondo coincida con el fondo del canal a construir. Se perfora un orificio de 30 cms. cms. en el fondo de la calicata, calicata, se retiran las piedras y otros agentes extraños, se coloca el tubo en posición vertical dentro del orificio. Se rellena el orificio alrededor del tubo con suelo compactándolo en capas de 10 cms. Se llena el tubo con agua y se deja 2 horas, tiempo que se estima suficiente para que el suelo alrededor del extremo inferior del tubo, se sature.
o
Transcurrida las dos horas, se vuelve a llenar el tubo, al cabo de una hora, se mide el descenso, la operación se repite cada hora y el ensayo termina cuando el descenso se hace constante.
c) Cálculo de la permeabilidad
Supongamos que en un ensayo se ha obtenido la siguiente información: HORA
7:0 9:0 10:0 11:0 12:0 13:0 14:0
TIEMPO TRANSCURRIDO EN SEGUNDOS
1ª Llenada 2ª Llenada 3600 3600 3600 3600 3600
DESCENSO (Cms.)
VOLUMEN Cm3
ALTURA H (cms.)
60 40 30 30 30
100 100 100 100 100 100 100
3,0 2,0 1,5 1,5 1,5
El factor de permeabilidad, se calcula según la fórmula:
= ,
,
Donde: Q [cm3]: Volumen de agua puesta en cada intervalo de descenso constante. R [cms.]: Radio interior del tubo H [cms.]: Altura de agua en el tubo T [seg.]: Intervalo de tiempo de observación en segundos. Diámetro del tubo = 2”
Reemplazando los valores en la ecuación, se tiene:
= 5,5 2,5 30100 3600 = 4′950,30000 =6 10− k = 6 x 10-6 cm/seg.
d) Cálculo de la magnitud de la infiltración
Según Darcy, ésta se calcula mediante la fórmula :
= [⁄]
,
donde:
⁄
q [ ]: Volumen de agua k [cm/seg]: Coeficiente de permeabilidad i : Gradiente hidráulico.
En este caso por tratarse de un flujo vertical, el valor ( i = 1), se acerca a uno, siempre que el espesor de la capa impermeable del subsuelo sea múltiplo del espesor de la lámina de agua en el canal. A [cm2]: Área considerada Se toma 1 m 2 como área unitaria y para nuestro caso, tenemos:
= 1′000,6 000 ⁄ 1 10000 = 0,06 ⁄ /
Si tenemos un canal con las siguientes características: b = 2,0 mz = 1,5 y = 4,5 m. Q=5C El perímetro húmedo será:
=+2 √ 1 + = 7,4 . En un kilómetro de canal, las pérdidas serán:
⁄ q = 0,06 7,4 . 1000 =444 0,0 6 ⁄ =0,444 ⁄ Si el canal tiene una longitud total de 7,5 km. Se perderán:
=0,444 ⁄ 7,5 .=3,33 ⁄ Si el caudal es de 5 m 3/seg., las pérdidas son de: 3,33 / 5000 = 0,0007
O sea menores a 1 º/oo, luego la eficiencia de conducción es muy buena, las perdidas son muy pequeñas . e) Valores de permeabilidad de varios suelos
SINAMOS (17) pág. 14, presenta los siguientes valores: Tipo de Material
Grava limpia Arena limpia mezclada con grava Arenas finas mezcladas con limo Depósitos de arcilla en estratos Arcillas homogéneas
k (cm/seg)
10 10 -1a 10-3muy permeable 10 -3 a 10-5 poco permeables 10 -5 a 10-7 casi impermeables 10 -7 a 10-9 impermeables
Los suelos con permeabilidad de 10 -4 a 10-6, son generalmente para canales pequeños y aquellos con permeabilidad menor a 10 -6 son propios para canales de cualquier longitud y magnitud. Método indirecto de fórmulas empíricas
Las fórmulas empíricas, únicamente dan aproximaciones, no muy exactas, pero, sirven para hacer una estimación preliminar del problema, los métodos más exactos son los analíticos que por ser muy complicados únicamente sirven para el caso al cual están concebidos. Kraatz (7) páginas 25 a 28, presentas el siguiente grupo de fórmulas empíricas, las cuales podrán ser usadas de acuerdo al juicio del diseñador. a) Davis y Wilson, para estimar la pérdida en canales revestidos sugieren la siguiente fórmula:
Donde:
√ ⁄ =0.45 4 10+ 3650
q : Pérdidas por infiltración en m 3 por longitud de canal por día L: Longitud del canal (m) P: Perímetro mojado (m) H: Altura de agua en el canal (m) v: Velocidad de agua en el canal (m/seg) C: Constante que depende del tipo de revestimiento.
TIPO DE REVESTIMIENTO
HORMIGÓN
ESPESOR (cms.)
VALOR DE C
10
1
ARCILLA EN MASA ASFALTO LIGERO ARCILLA MORTERO DE CEMENTO ASFALTO
15
4 5 8 10
7,6 Y
b) El BUREAU OF RECLAMATION, propone la siguiente fórmula llamada de MORITZ:
=0,2 Esta fue probada en ocho distintos sistemas de canalización. Donde: q: Pérdidas por infiltración en pies 3/seg/milla de canalñ. Q: Caudal que circula en el canal (pies 3/seg) v: Velocidad (pies/seg) C: Constante que depende del tipo de suelo
TIPO DE SUELO
VALOR DE C
GRAVA CEMENTADA Y CAPA DURA CON FRANCO ARENOSO ARCILLOSO Y FRANCO ARCILLOSO FRANCO ARENOSO CENIZAS VOLCÁNICAS ARENA CENIZAS VOLCANICAS O ARCILLA ARENOSO CON ROCA ARENOSO CON GRAVA
0,34
c) En la India se ha utilizado la siguiente fórmula: q=Cxaxd Donde: q: Pérdida total (pies3/seg) a: Área del perímetro mojado (millones de pies 2) d: Altura de agua en el canal (pies) C: Constante que varia de 1,1 a 1,8
0,41 0,66 0,68 1,20 1,68 2,20
d) En Egipto el departamento de riego, utiliza la fórmula empírica de MOLESWORTH
= √
Donde: q: Pérdidas durante la conducción (m 3/seg por longitud del canal) L: Longitud del canal (km) P: Perímetro mojado (m) Y: Profundidad hidráulica media (m), es igual al cociente del área entre el ancho T del espejo de agua. C: Coeficiente que depende de la naturaleza y temperatura del suelo, para arcilla C = 0,0015 y para la arena C = 0,003. e) En la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (U.R.S.S.), se usa la siguiente fórmula: f)
= ,
Donde: q : Pérdida en porcentaje del caudal/km de longitud del canal Q: Caudal del canal (m 3/seg) K: Permeabilidad saturada (m/día) qr : Pérdida por infiltración específica reducida, esto es, relación entre velocidad de infiltración y la permeabilidad saturada del material del lecho del canal.
EXPLORACIÓN Y MUESTREO PARA UN CANAL
Se requiere: El levantamiento topográfico con: El planteamiento hidráulico general a escala 1: 5000, donde se indique: captación con sus estructuras principales, desarrollo del canal con el cruce de quebradas, carretera (s), u otro canal, especificar las obras de arte que se requieran para cruzar esta desniveles, zonas de canal cerrado, caídas, rampas, pozas de amortiguamiento, tomas de canales secundarios, estructuras de control como vertederos laterales, ubicar área de influencia del riego. Plano de desarrollo del canal especificando el canal por tramos: planta y perfil y los datos respectivos: progresiva, dirección (en planta), cota de
terreno natural, cota de plataforma, cota de rasante, especificar estructuras correspondientes, cruce con algún desnivel, tipo de suelo. Considerar calicatas de exploración de acuerdo a la longitud del canal pude ser cada 100 mts. Si el terreno es de la misma clase, este dato es aproximado y se toma de acuerdo a criterio del proyectista. (Según el reglamento de edificaciones, está dirigido más para edicficaciones, nos indica la tabla 2.3.2 Número de puntos a investigar; para el tipo de edificación A, 1 cada 225 m 2, B 1 @ 450 m2 y C 1 @ 800 m2. La bibliografía: George B. Sower, nos especifica para: presas de tierra espaciamiento de 20 a 60 metros, canteras espaciamiento de 30 a 120 metros) por eso puedes asumir el número de puntos a investigar cada 100 metros y reducir el espaciamiento donde se encuentre variación en el suelo, el corte sea demasiado grande (alto) o donde se proyecte una obra de arte. La profundidad, está en función de la sobrecarga, para un canal que conduzca 1 m3/ seg. La sobrecarga es pequeña. Puedes considerar una profundidad de excavación de cada calicata de 1,50 mts. aproximadamente (aprovechar también, si el canal se ubica cerca de algún corte o desnivel par tomar muestra del talud o corte) para conocer la estratigrafía, las propiedades del suelo (granulometría, limites de consistencia – límite líquido, límite plástico, si el suelo es expansivo el límite de contracción, SUCS, contenido de humedad ω, peso específico en el estado que se encuentre, peso específico relativo Ss= Gs, permeabilidad k, calidad del agua – con ensayos químicos, si el agua es adecuada para uso: de personas, animales, agrícola, industrial, minero; siempre los parámetros deben ser menores a los exigidos por la normas. Al analizar los resultados puedes determinar donde se requiere revestimiento del canal (El tipo de cobertura que se utilice está en función de la economía) o si es canal cerrado (por el talud). Para el caso donde se requiera una obra de arte, adicional a los datos antes mencionados debes obtener de ensayos especiales de corte directo los valores de ángulo de fricción interna Φ y cohesión c. Si existe en la zona un estrato de suelo fino como arcilla o limo debe obtenerse el valor de la consolidación. Y nada más. Si requieres algún dato más me mandas un correo.
