-Estructuras de derivación - Canales de conducción

- Drenaje sub superficial - Rectificación de cauces

- Alcantarillas - Cunetas

B. POR SU FUNCION

En los cauces

Protección contra erosión

torrencial

Complemento de medidas

vegetativas En las vertientes

1. Conducción de agua

2. Consolidación de márgenes y

rasantes

3. Retención de sedimentos

4. Almacenamiento de agua

5. Disipación de energía

A. POR SU UBICACION

-Diques de consolidación -Diques de infiltración

-Muros marginales - Muros de sostenimiento

-Espigones - Traviesas

-Enrocado y otros revestimientos

-Diques de retención - Presas permeables

- Pozos de sedimentación - Tanques desarenadores

- Presas de tierra o concreto

- Estanques y lagunas

-Estructuras de caída

-Estructuras de disipación de rápidos

ESTRUCTURAS PARA LA CONSERVACION DE SUELOS Y AGUAS CLASIFICACION GENERAL

Tratamientos generales

Control y estabilización de taludes

Biológicos

Esteras de vegetales

Mallas biodegradables

Hidrosiembra

CLASIFICACION POR EL TIPO DE TRATAMIENTO

Canal de desvío de aguas Regulación de flujos hídricos

Incremento de la infiltración

Obras lineales de ladera

Cubiertas superficiales

Regulación de flujos hídricos en

cauces

Tratamientos específicos

Zanjas de infiltración

Terraza forestal

Diques de infiltración

Postes de madera

Faginas

Sacos rellenos

Muro longitudinal (curva a nivel)

Diques de postes de madera

Dique concreto / gavionado

Disipadores

Muro con postes de madera

Esteras y mallas biodegradables

Muro con saco relleno/neumático

PRACTICAS MECANICO-

ESTRUCTURALES

• LAS PRÁCTICAS MECANICO-

ESTRUCTURALES SON TODAS

AQUELLAS ESTRUCTURAS

DISEÑADAS BAJO PRINCIPIOS DE

INGENIERÍA, CUYAS PRINCIPALES

FUNCIONES SERAN LAS DE:

CONTROLAR LA EROSION A TRAVÉS

DE LA REDUCCION AL MÍNIMO DEL

ESCURRIMIENTO, YA SEA

MODIFICANDO:

a. LA LONGITUD DE LA PENDIENTE

(ACORTÁNDOLA), O

b. LA INCLINACIÓN DE LA

PENDIENTE (REDUCIÉNDOLA)

• ESTAS ESTRUCTURAS PUEDEN

CONSTRUIRSE EN AREAS DE

CULTIVO O EN AREAS DE

PROTECCIÓN DE CAUCES.

Fuente: Pronamachcs

ESTRUCTURAS PARA LA CONSERVACION

DE SUELOS Y AGUA

CAPTACION DE AGUAS-BOCATOMA Y COMPUERTA

CONDUCCION DE AGUA

CANAL DE CONDUCCION DE AGUAS -

TIERRA

A. CANALES PARA EL SUMINISTRO DE AGUA

Canales para el suministro de agua potable

Deberá calcularse el volumen de agua demandado por un grupo poblacional en

un tiempo determinado (m3/mes , m3/año) el mismo que debe expresarse en

caudal de suministro del canal (m3/s, l/s).

Aplicación

Calcular el caudal de diseño para un canal que suministrará a una población un

volumen de 1’600 000 m3 mensuales de agua potable:

volumen demandado 1’600 000 m3

Q = ----------------------------------- Q = -------------------------- = 0,62 m3/s

mes 3600s x 24h x 30d

Canales de suministro de aguas para hidroelectricidad

Previamente calcular la potencia neta (PN) en kilowats (Kw) a ser generada,

luego determinar el caudal de suministro en m3/s.

Q = PN/5h … (m3/s)

Donde: Q = caudal (m3/s) PN = Potencia neta (Kw) h = salto o caída (m)

Aplicación

Calcular el caudal de diseño para un canal, que con un salto de 21 m generará

una potencia neta de 70 Kw de electricidad:

PN = 5Qh

Q = PN/5h Q = 70/5(21) Q = 0,67 m3/s

Canales de suministro de agua para riego

Deberá considerar la demanda de agua de las especies vegetales a regar (capacidad de

consumo). De esta manera, el riego de campos de cultivo, praderas, viveros forestales, etc.,

requerirá una cantidad de agua en función de la especie (consumo y evapotranspiración), la

precipitación pluvial de la zona, la superficie a regar y la eficiencia de riego. La demanda de

agua se calcula mediante la relación:

D = 10 (ETE – PE) A/Ep

Donde:

D = Demanda de agua del proyecto (m3)

ETE = Evapotranspiración de la especie (mm) = ETP mensual *Coef.ETP especie

PE = Precipitación efectiva (mm) = PP (1-Cp)

PP = Precipitación pluvial (mm)

Cp = Coeficiente de pérdidas de la precipitación pluvial

A = Área (ha)

Ep = Eficiencia de riego del proyecto

Aplicación

Calcular la demanda de agua de un proyecto y el caudal de diseño del canal de suministro,

considerando que el riego de un vivero forestal de 1,6 ha en el mes de septiembre se realiza

2 veces por semana por un lapso de 20 minutos por riego. Se dispone de la siguiente

información: 38 mm de precipitación pluvial media mensual, de los cuales se registra un

0,20 de coeficiente de pérdidas (Cp), 125 mm de ETP, coeficiente de ETP de la especie 0,80 y

un 40% de eficiencia de riego del proyecto.

Demanda de agua del proyecto

D = 10 (ETE – PE) A/Ep

ETE = (ETP total/mes)(Coef. ETP sp) = 125 mm/mes*0,80 = 100 mm/mes

PE = (PP total /mes)(1-Cp) = (38 mm)(1- 0,20) = 30,4 mm

D = 10(100 – 30,4) 1,6/0,40

D = 2784 m3/mes (septiembre)

Volumen de agua por riego

V = 2784 m3/8 veces

V = 348 m3/riego

Caudal de diseño

Q = Vol / tiempo de riego = 348 m3/ (20 min * 60s)

Q = 0,29 m3/s

Para elegir la forma de la sección del canal, se considera la textura del suelo, erosionabilidad

y profundidad efectiva.

Trapezoidal

La distribución de velocidades es uniforme en toda la sección, tiene una mayor estabilidad y

bajo riesgo de erosión en el fondo del canal. Es muy común en los canales de desviación

ubicados en laderas con fuerte pendiente.

Triangular

Reduce la depositación de sedimentos, pero aumenta el riesgo de erosión de fondo.

Parabólica

Es muy usada cuando los canales son construidos en las depresiones naturales, debido a

su aptitud para acomodarse a esta situación. Es la mas usada en canales revestidos con

vegetación.

Forma de los canales

Forma de los canales

D

D

T

d

T

t

d

t

a. Sección trapezoidal

a. Sección triangular

a. Sección parabólica

m = z

1

T

t

d = y

b

D

Principales variables hidráulicas de los canales

Forma

del canal

Área

(A)

Perímetro

mojado (P)

Radio hidráulico

R = A/P

Ancho del tope (T)

Ancho espejo (t)

Trapezoidal

bd + md2

_____

b+2d √ m2+1

bd + md2 _______

b+2d √ m2+1

t = b + 2dm

T = b + 2Dm

Triangular

md2

_____

2d √ m2+1

md2

_______

2d √ m2+1

t = 2 dm

T = D t

d

Parabólica

2/3 td

t + 8d2

3t

2 t2d

t + 8d2

t = A/0,67d

T = t (D/d) ½

Borde libre (e) mínimo: 10 cm máximo: 0,30 d d = y ; m = z

Q = A V

Donde:

Q = Caudal transportado (caudal de diseño) en m3/s

A = Area transversal (m2)

V = Velocidad media del agua dentro del canal (m/s)

1

V = -------------- R2/3 S1/2 (fórmula de Manning)

n

R = Radio hidráulico (m/s)

n = Coeficiente de rugosidad o de Manning

S = Pendiente de fondo del canal (m/m)

Consideraciones previas para el diseño de un canal

El diseño de canales deberá considerar:

a. La topografía y el tipo de suelo donde se alojará el canal, así como su revestimiento

definen la forma, el coeficiente de rugosidad (n), el talud (m), la pendiente de fondo (S) y la

velocidad máxima permisible del agua dentro del canal (Vmáx).

b. El tipo de herramienta para la excavación (dragado) determina el ancho de la base del

canal (b).

c. El clima y la naturaleza del suministro, condiciona el borde libre (e).

Caudal transportado por un canal

Diseñar un canal para el suministro de un Q = 0,54 m3/s, considerando:

Sección : trapezoidal

n : 0,045 (canales en roca, con salientes y sinuosos. Condición: regular)

m : 1,5 : 1

S : 3/1000 = 0,003

b : 0,35 m

e : 10 cm

V máx : 0,60 m/s

a. Sección del canal (A)

Q 0,54 m3/s

A = ----------- = ------------------ = 0,90 m2

V max 0,60 m/s

b. Tirante de agua (d)

A = bd + md2

0,90 = 0,35d + 1,5d2

1,5d2 + 0,35d – 0,90 = 0

_________

-b ± √ b2 – 4ac

d = ------------------------- d = 0,67 m = 67 cm

2a

Diseño del canal

c. Borde libre (e)

e = 10 cm

d. Ancho del espejo de aguas (t)

t = b + 2dm = 0,35 + 2(0,67)1,5 = 2,36 = 2,40 m

e. Ancho de tope (T)

T = b + 2Dm = 0,35 + 2(0,77)1,5 = 2,70 m

f. Velocidad del agua dentro del canal (V)

1 1

V = -------------- R2/3 S1/2 = ---------- (0,91 / 2,77) 2/3 (0,003)1/2

n 0,045

V = 0,58 m/s vs Velocidad máxima permisible V = 0,60 m/s

En un suelo poco profundo el canal tendrá que ser relativamente ancho y con escaza

profundidad, aunque esa sección tendría un valor bajo de radio hidráulico,

consecuentemente una menor velocidad, asumiendo los otros factores constantes. Para

incrementar su capacidad de transporte será necesaria una mayor pendiente, una menor

rugosidad o mayor área de sección transversal, para lograr la misma descarga que un

canal de mayor profundidad. Los canales a construir deben cumplir con los mínimos

requisitos de estabilidad, deben construirse sobre terrenos firmes y con taludes estables.

El “US Soil Conservation Service” establece la siguiente fórmula:

n = (n0 + n1 +n2 +n3 + n4) m

Lm = Longitud del tramo medido a lo largo del curso de agua

Ls = Longitud del tramo medido en línea recta

Coeficiente de rugosidad “n”

CARACTERÍSTICAS FACTORES VALORES “n”

Material del cauce Tierra

Roca excavada

Grava fina

Grava gruesa

n0

0,010

0,015

0,014

0,028

Grado de irregularidad superficial Ninguno

Escaso

Moderado

Notable

n1

0,0

0,005

0,010

0,020

Variación de la forma y tamaño de

la sección

Gradual

Ocasional

Frecuente

n2

0,0

0,005

0,1- 0,015

Efecto de obstrucciones Despreciable

Escaso

Apreciable (árboles)

Notable (grandes troncos)

n3

0,0

0,0

0,1- 0,015

0,02-0,03

Vegetación Baja (hierbas)

Media (arbustos)

Alta (árboles pequeños)

Muy alta (bosque alto)

n4

0,005-0,01

0,01-0,025

0,025-0,05

0,050-0,10

Efecto de los meandros Escaso Lm/Ls = 1,0 – 1,2

Apreciable Lm/Ls = 1,2 – 1,5

Notable Lm/Ls > 1,5

m

1,0

1,15

1,30

Valores de “n” para diferentes superficies

SUPERFICIE CONDICION DE LAS PAREDES

CANALES Y ZANJAS: PERFECTA BUENA REGULAR MALA

Canales revestidos de concreto

Canales de mampostería con cemento

Canal de mampostería seca

En tierra, alineados y uniformes

En roca, lisos y uniformes

En roca con salientes y sinuosos

Sinuosos y flujo lento

Dragados en tierra

Lecho pedregoso y bordos con hierba

Plantilla en tierra, taludes ásperos

Canales de madera cepillada

Canales de madera en bruto

Corrientes naturales:

(1) Limpios, bordos rectos, llenos sin charco

(2) igual a (1) con algo de hierba y piedras

(3) Sinuoso, algunos charcos y escollos, limpio

(4) = (3), poca d, m y sección menos eficiente

(5) =(3) algo de hierba y piedras

(6) = (4) secciones pedregosas

(7) ríos lentos, cauce con hierba y charco hondo

(8) Playas muy enhierbadas

0,012

0,017

0,025

0,017

0,025

0,035

0,0225

0,025

0,025

0,028

0,010

0,012

0,025

0,030

0,033

0,040

0,035

0,045

0,050

0,075

0,014

0,020

0,030

0,020

0,030

0,40

0,025

0,0275

0,030

0,030

0,0275

0,033

0,035

0,045

0,040

0,050

0,060

0,100

0,016

0,025

0,033

0,0225

0,033

0,045

0,0275

0,030

0,035

0,033

0,030

0,035

0,040

0,050

0,045

0,055

0,070

0,125

0,018

0,030

0,035

0,025

0,035

0,030

0,033

0,040

0,035

0,033

0,040

0,045

0,055

0,050

0,060

0,080

0,150

• 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.

Valores de “n” para diferentes superficies

Material n Agua limpia (m/s)

Agua con sedimentos (m/s)

Arena fina coloidal Arena muy fina Franco arenoso Franco limoso Limo aluvial, sin coloides Limo arenoso Depósitos aluviales no coloidales Arcilla densa Arcilla coloidal Arcilla pesada Depósitos aluviales Grava fina Grava media y gruesa Rocas

0,020

0,020

0,020

0,025

0,025

0,020

0,45

0,45

0,55

0,60

0,60

0,53

0,60

0,75

1,13

1,80

1,13

0,75

1,20

1,50

0,75

0,75

0,75

0,90

1,00

0,75

1,05

1,00

1,50

1,80

1,50

1,50

1,80

1,80

Velocidades máximas permisibles para canales

no revestidos (V max)

Material Talud

Roca Cubierto con concreto o arcillas rígidas Revestido con mampostería (piedra asentada en barro) Suelos arcillosos Suelos arcillo-arenosos a francos

0 (vertical)

½:1 a 1:1

1:1

1,5:1

2:1 a 3:1

Taludes disponibles para diferentes materiales

en canales

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

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

Taludes apropiados para distintos tipos de material

• Ejercicios:

• 1. Diseñar un canal para el suministro de agua para hidroelectricidad con un caudal de diseño de Q = 0,67

m3/s, considerando una sección trapezoidal, canal de tierra en buenas condiciones, talud del canal de 1,5,

base de 0,40 m, pendiente de fondo del canal de 3 por mil, borde libre mínimo y una velocidad máxima

permisible del agua dentro del canal de 0,60 m/s.

• 2. . Diseñar un canal para el suministro de agua potable con un caudal de diseño de Q = 0,62 m3/s,

considerando una sección trapezoidal, canal sinuoso con flujo lento con paredes en buenas condiciones,

suelo arcilloso coloidal, base de 0,45m, pendiente de fondo del canal de 3 por mil y borde libre mínimo.

Principales variables hidráulicas de los canales

Fuente: Hidráulica de Canales. V.T.Chow