CURSO DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE OBRAS DE CONDUCCION

Transcripción

1 CURSO DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE OBRAS DE CONDUCCION CANALES: Se llaman canales a los cauces artificiales de forman regular que sirven para conducir agua. El flujo del agua se produce sin presión; o sea, siempre existe una superficie libre en el cual se tiene la presión atmosférica. Puede por lo tanto considerarse canal cualquier conducto cerrado, como un tubo o túnel que se encuentra funcionando parcialmente lleno. Se llaman canales abiertos a los conductos que van a cielo abierto, es decir aquellas que se excavan a media ladera por lo general, y el material excavado de ser posible se utiliza en el relleno del labio inferior. Se llaman túneles a los conductos que se excavan bajo tierra con el objeto de atravesar una loma. CRITERIOS PARA EL TRAZADO: El criterio que dirige el trazado de los canales o túneles y la selección de una u otra posibilidad es el de conseguir la mayor eficiencia hidráulica y seguridad de las obras con el menor costo. El trazado de trabajo es similar a la que se realiza para carreteras, con la principal diferencia de que la pendiente longitudinal de un canal debe ser siempre positiva (bajando en la dirección del movimiento del agua) y puede variar solo dentro de ciertos límites. Por lo general, el sitio de la iniciación de la utilización del agua, como tanque de presión (Riego por Aspersión y/o goteo), comienzo de la zona de riego, etc. Esta establecida y desde allí se traza la línea de gradiente hacia el río para determinar la ubicación de las obras de toma. La gradiente del canal es forzosamente menor que la del rió y mientras menor es la primera, mas larga resulta la longitud del canal y mayor el costo. A la inversa, un canal disminuye de sección y consiguientemente de costo con el aumento de la gradiente. 1

2 Si se traza la línea del canal desde la toma hasta el sitio donde se utilizara el agua, siguiendo las líneas de nivel del terreno y descendiendo el numero de metros por kilómetros que da la gradiente escogida, se puede obtener un resultado sumamente tortuoso, que puede tener una longitud dos o tres veces mayor que la línea recta que une los dos puntos. Por eso debe estudiarse la posibilidad de rectificar la alineación acortando su longitud por medio de túneles, acueductos, rellenos u otros tipos de obras. En cada caso es necesario comparar el costo de las distintas alternativas. Los túneles se construyen cuando representan una solución más económica o más estable que un canal abierto. Si la pendiente transversal del terreno es muy fuerte (45 o mas), entonces el volumen de excavación de la plataforma se hace tan grande que resulta mas económica hacer un túnel. También cuando el canal debe contornear una loma muy pronunciada, muchas veces se puede reducir considerablemente la longitud por medio de un túnel que atraviesa la loma de un lado a otro. El túnel se construye cuando la longitud de recorrido de un canal es mayor a.5 longitud del túnel Al comparar los costos de un canal con un canal, es necesario tomar en cuenta no solo las inversiones, sino también los tiempos de construcción Un túnel puede costar mucho menos que un canal, pero su construcción tendrá un avance de 1 metro hasta 5 metros por un día, lo cual si tiene gran longitud demoraría mucho tiempo en completarse.

3 SECCION TRANSVERSAL: Al realizar el diseño de un canal, generalmente son dados el caudal Q que se desea conducir y la gradiente de la que se dispone y que puede variar dentro de ciertos límites. También se conoce el coeficiente de rugosidad que dependerá del tipo de revestimiento que se escoja. El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable en el canal. Esta generalmente varía de 0.60 m/s y 3 m/s para evitar la sedimentación y la erosión. La forma de la sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con su superficie mojada mínima, conduzca el caudal máximo. La sección que tiene las mejores características hidráulicas es semicircular pero es relativamente difícil de construir y generalmente carece de estabilidad. Por este motivo la forma de sección mas usada en canales es la trapezoidal, tal como se muestra en la figura anterior. CLASIFICACION DE LOS CANALES DE ACUERDO A SU ORIGEN: NATURALES.- ARTIFICIALES.- 3

4 SEGÚN LA SECCION.- RECTANGULARES TRAPEZOIDALES TRIANGULARES CIRCULARES HERRADURA (HORSE-SHOE) SEGÚN LA FUNCION QUE CUMPLEN.- CANAL DE DERIVACION CANAL MADRE O PRINCIPAL CANALES DISTRIBUTARIOS DRENES ELEMENTOS DE UN CANAL: GEOMETRICOS CINETICOS DINAMICOS Tirante =d v= n = Area =d (b+zd) Q= s = hf/l Perímetro= b+d 1+Z Ancho Fondo =b Ancho Superficial = B=b+zd CRITERIOS DE DISEÑO PARA CANLES DE FLUJO UNIFORME En el diseño hidráulico de los canales, se debe tener en cuenta las leyes de la hidráulica y los criterios siguientes a continuación: a) VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION.- Durante el diseño hay que tener en cuenta el hecho de que las velocidades de la corriente del agua en el canal excesivamente grande, pueden actuar de una manera destructiva sobre el fondo y las paredes de este. La velocidad media del agua en el canal debe ser menor que la velocidad de socavación. En el cuadro siguiente se dan las velocidades admisibles límites en función de los suelos y el tipo de revestimiento en los cuales discurre el agua: 4

5 VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION CARACTERISTICAS DEL SUELO O DEL REVESTIMIENTO DEL CANAL - Suelo Limoso, Turba descompuesta Arena Arcillosa suelta, arcillas blandas Turba Fibrosa poca descompuesta Arcilla arenosa madias y compactas Arcillas duras Encespedado Conglomerado Madera cepillada Concreto f c 140 Kg/cm Concreto f c 10 Kg/cm Plancha de acero VELOCIDADES MAXIMAS EN M/S b) VELOCIDAD MINIMA DE SEDIMENTACION.- Otro de los problemas que tiene que afrontar el ingeniero hidráulico al proyectar canales consiste en el transporte de los sedimentos. La velocidad demasiada baja produce el depósito de los sedimentos, disminuyendo la sección del canal y a veces asolvandolo por completo. La corrección de estos defectos es costosa y por eso desde hace mucho tiempo se ha estudiado la forma de crear un canal estable. Por definición un canal estable, es aquel en el que no se presenta ni erosión ni sedimentación (asolvamiento). El primer estudio sobre canales estables fue publicado por Robert G. Kennedy, en base a proyectos de irrigación de ISRAEL, LA INDIA, LA UNIÓN SOVIÉTICA y los EE.UU., llegando a establecer la siguiente expresión como velocidad limite que no produce sedimentación: 5

6 Vo = βh 0.64 Vo = Velocidad media limite que no produce asolvamiento (m/s). β = Coeficiente que depende del material en suspensión h = Profundidad del agua (mts) COEFICIENTES DE SEDIMENTACION Material en Suspensión Valores β Arcilla muy fina 0.59 Arena muy fina 0.58 Barro arenoso 0.64 Arcilla Gruesa 0.70 c) RELACION DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA: Entre las diferentes secciones que pueden adaptarse en el diseño de los canales, algunas secciones tienen condiciones llamadas de Máximas Eficiencia Hidráulica, son aquellas que para un mismo gasto, pendiente y revestimiento, requieren un área mojada mínima. Se deduce que a igualdad de sección mojada, el caudal es tanto mayor cuanto mayor es el radio hidráulico o lo que es lo mismo, cuanto menor es el perímetro. Se puede por lo tanto determinar las dimensiones hidráulicas más ventajosas para distintas formas de canales. Así tenemos para una sección trapezoidal: A=d(b+zd) b = A/d zd reemplazando en P: P=b+d 1+Z P=A/d - Zd+d 1+Z =0 El máximo gasto a igualdad de sección se produce cuando el perímetro es mínimo. Derivando la ecuación e igualando a cero. σp/σd = -A/d Z + 1+Z = 0 De donde Obtenemos: A/d = 1+Z Z Definiendo X, a la relación b/d, se obtiene: X = ( 1+Z Z) Estableciéndose el siguiente cuadro para diversas secciones de canal. 6

7 TALUD Horse- 0 1:1 ¼:1 ½:1 1½:1 :1 3:1 Circulares Z Shoe X = b/d d) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD: Es la resistencia al escurrimiento del agua que presentan los revestimientos de los canales artificiales y naturaleza de los cauces en los conductos naturales. En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muy variable dependiendo de la topografía, geología y vegetación, variando con las estaciones del año, se pueden presentar casos en que las riberas del cauce sean de un material diferente al fondo, el valor de n será el promedio. En la practica de la Ingeniería, la sección transversal natural se sustituye, para facilitar la ejecución de los cálculos, por una sección transversal de forma regular, cuya area es igual a la natural (Ver gráficos) sección rectangular en cauce relativamente anchos Rh b A = Bh P = B+h En las especificaciones técnicas se indicara la rugosidad del canal, especificando el envejecimiento a que estará sometido. Ejemplo: Concreto n= 0.01, indicando que tendrá que repararse cada 5 años para mantener la rugosidad, si no ocurre, el tirante aumenta conforme aumenta la rugosidad de diseño. VALORES DE n DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS FORMULAS DE KUTTER Y MANING SUPERFICIE BUENA MALA Ladrillo Vitrificado Acabado de cemento liso Mortero de cemento Madera cepillada Concreto Piedras grandes, guijarro Metal liso

8 Cemento y mampostería De tierra rectos De piedra uniforme De tierra con vegetación Tierra con vegetación y piedras Con depresiones y vegetación e) TALUDES RECOMENDADOS: La inclinación de las paredes de los canales dependen de la geología de los terrenos que atraviesan, por lo cual el ingeniero al efectuar el trazo de los canales recomienda los taludes más favorables, de acuerdo a su observación visual o con las calicatas que pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materiales. Los taludes empleados se muestran en el siguiente cuadro: TALUDES RECOMENDADOS PARA CORTES EN TALUD - Conglomerado 1:1 8

9 - Suelos arcillosos - Suelos areno limoso - Suelos arenosos - Suelos arenosos sueltos - Roca alterada suelta - Roca sana - Tierra vegetal, arcilla - Suelo arenoso 1:1 1.5:1 :1 3:1 0.5:1 0.5:1 1.5:1 3:1 f) RADIOS DE CURVATURA MINIMOS: Para el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de curvatura mínimo, de acuerdo al diseño elegido. Se recomienda que varias entre los siguientes valores: Rc 10d ~ 15d y/o Rc 3B ~ 5B En el caso de canales con flujos de velocidades altas será necesario calcular la mayor elevación que se produce por el cambio de dirección en el lado exterior de la curva, lo cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal. El peraltamiento se calcula con la siguiente expresión: P = v B / g Rc Donde: P = Peraltamiento en mts. V = Velocidad en m/s B = Ancho del espejo de agua en mts. G = gravedad en m/s Rc = Radio de curvatura en mts. EJEMPLO DE SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA.- 9

10 Supongamos que necesitamos conducir un canal: Q = 3 m 3 /seg con una gradiente S = y un coeficiente de rugosidad n = Se puede encontrar la sección y la forma más económica, si el terreno es plano? Usando la fórmula de Manning, tendríamos: Q = R S A n 3 3 = 50 R A 3 A = R Los valores para los diferentes tipos de sección de máxima eficiencia hidráulica se presentan a continuación en forma tabulada: SECCIÓN Rectángulo ÁREA A.88 PERÍMETRO P TIRANTE d 1.19 Triángulo Semicírculo Trapezoidal, z = Trapezoidal, z = Se observa que tanto la sección como el perímetro tienen valores mínimos para el semicírculo. Sin embargo debido a la dificultad de su construcción, en la mayoría los casos se prefiere las secciones trapezoidales. g) BORDES LIBRES (FREE BOARD).- Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional denominada Borde Libre, con objeto de evitar desbordamientos por mala operación de 10

11 compuertas, derrumbes o por olas debido al viento que pueden poner en peligro la estabilidad del canal. No existe una norma única para establecer el valor del borde libre, pero por lo general varía entre el 5% y el 30% del calado, y es tanto mayor cuanto mayor es el caudal y la velocidad en el canal. En canales pequeños Q m 3 /seg; Para canales mayores Q > m 3 /seg Se recomienda usar fb = 0.30 mt fb= V 3 d (mt) Donde: fb = borde libre en mt v = velocidad del flujo m/seg d = tirante mt h) TIRANTES CRÍTICOS.- El tirante crítico dc, es aquel para el cual la energía específica es mínima, coincidentemente con este tirante el régimen lento o subcrítico pasa a régimen rápido o supercrítico. EL N de Froude determina la condición de flujo: N < 1 ; existe flujo subcrítico N = 1 ; existe flujo crítico N > 1 ; existe flujo supercrítico Cuando el flujo está próximo a ser crítico, la superficie del agua se hace inestable, produciendo olas. Tirantes críticos para tipo de sección de canal: 4 V Triangular : d c = ( + d) 5 g 4 V Rectangular : d c = ( + d) o 5 g q g 11

12 4B V Trapezoidal : d c = + ( + d) 5B + f g i) LONGITUD DE TRANSICIÓN.- Debido a los cambios de sección en el trazo de los canales, es necesario efectuar transiciones entre ellos para asegurar un flujo lo más uniforme posible. La longitud de transición recomendable está dada por: L =.5 ( B B ), donde B y B1, son los anchos de los espejos de agua (mt) 1 aguas abajo y aguas arriba respectivamente. El Bureau of Reclamation recomienda que el ángulo máximo entre el eje del canal y una línea que une los lados de la transición a la entrada y a la salida no exceda de 1.5, esto permite determinar la longitud de transición. L = B B 1 Tg 1.5 Ej: Canal de sección circular a trapezoidal Longitud según 3 mt Fórmula aprox. j) FILTRACIÓN DE CANALES.- La filtración de agua en los canales siempre ocurre, por lo que el problema no puede ser considerado con indiferencia, pues al no llegar toda el agua a las 1

13 zonas de riesgo, se reduce la eficiencia del sistema con las consiguientes pérdidas económicas. Además la filtración en los canales no solamente representa pérdidas de agua valiosa para los cultivos, sino que invariablemente resulta en la elevación del nivel de las aguas freáticas, pudiendo causar efectos perjudiciales para las plantas, salinización del suelo, exigiendo a menudo la construcción de costosos sistemas de drenaje. j-1) Factores Que Afectan La Filtración: Es fácil ver que la filtración en los canales depende de muchos factores, entre los que podemos citar: - La permeabilidad del suelo. - El tirante del agua en el canal - Temperatura - Edad del canal - Caudal P = K/Q (Kostiakov) Caudal m 3 /seg Perdida en % del caudal x km j-) Fórmulas utilizadas para canales revestidos: Existen varias fórmulas para el cálculo de la cantidad de agua perdida por filtración en canales. De estas, las más conocidas en el sistema métrico son: 13

14 1. FORMULA DE T. INGHAM.- Desarrollado por el autor en 1896 en base a observaciones en canales de la India. P = d ( b + z d) P = pérdidas en m 3 /seg. km la vertical d = Tirante mt b = ancho del fondo z = tangente del ángulo del talud con. FORMULA DE PAVLOVSKI (194).- [ b + d ( z ) ] P = 1,000K 1 + ; K es el coeficiente de permeabilidad m/seg. 3. FORMULA DE PUNJAB.- Actualmente usada (1967) P 0.53 = C PQ ; siendo Q el caudal en m 3 /seg y CP un valor que varía según el suelo. - Suelos muy permeables Suelos comunes Suelos impermeables FORMULA DE E.A. MORITZ.- Usada en los EE.UU. (1951) P = 0,0375 C A m 1 donde A, es la superficie mojada Cm, coeficiente que depende del material en el que está excavado el canal, tiene los siguientes valores: - Franco Arcilloso 0.08 ~ Franco Arenoso 0.30 ~ Arenas sucias 0.45 ~ Arenas y Gravas 0.55 ~ Concreto

15 j-3) Pérdidas en Canales Revestidos: De acuerdo a Davis, todo canal debe ser revestido cuando las pérdidas por filtración exceden de 0.46 m/día (5.3 x 10-4 cm/seg) El revestimiento de un canal no elimina completamente las pérdidas por filtración. Según Uginchus, las pérdidas en un canal revestido pueden obtenerse multiplicando por un factor las pérdidas que se producen en el mismo canal no revestido. Para el caso de un revestimiento de concreto de 7.5 cm, se ha encontrado que el coeficiente es igual a 0.13, o sea que las pérdidas se reducen a la octava parte. También puede utilizar la fórmula: d P = K ( b + d 1 + z ), donde: t K = Permeabilidad de revestimiento del concreto, que varía de 10-5 cm/seg a 10-7 cm/seg t = espesor del revestimiento Ejemplo 1: Se tiene un canal no revestido, n = 0.08 de sección trapezoidal, que conduce un caudal Q = 15 m 3 /seg, con una gradiente de S = (0.3 0 /00). El ancho del fondo es b = 3 mt, el tirante d = 3 mt y los taludes tienen una inclinación de z = 1. La longitud del canal es 60 km y ha sido excavado en un suelo franco-arenoso cuyo coeficiente de permeabilidad K = 5 x 10-6 cm/seg. Se solicita encontrar las pérdidas por filtración por km, y el caudal final. SOLUCIÓN: La sección mojada : El perímetro mojado : A = d (b + zd) = 18 m P = b + d 1 + z = mt 15

16 La velocidad : V = Q/A = m/seg 1. Según Ingham: P = x 1.73 ( 3 + x 1 x 3 ) P = m 3 /seg x km. Pavloski: P = 1000 x 5 x 10-6 ( x ) P = m 3 /seg x km 3. Punjab: P = 0.0 x P = 0.09 m 3 /seg x km 4. Moritz: P = x 0.4 x 18 1/ P = m 3 /seg x km En promedio se tendría para el tramo inicial una pérdida de P = m 3 /seg x km que representa el 0.47 % del caudal total. Considerando las pérdidas por filtración constante, el caudal al final del canal sería: Q = x 60 = 10.8 m 3 /seg ó Q = 15 ( x 60 ) = 10.8 m 3 /seg O sea que en 60 km, se perderá 4. m 3 /seg, que representa el 8% del caudal de entrada. Ejemplo : Suponiendo que al canal del ejemplo anterior se realiza un revestimiento de concreto de 10 cm de espesor y considerando K = x 10-5 cm/seg de permeabilidad. Se solicita encontrar la pérdida por kilómetro. 16

17 -5 3 P = x 10 x x (3 + 3 x1.414) = m 3 seg x km Es decir que las pérdidas han disminuido 16 veces (0.070/ ), con relación a lo que se tenía para el canal no revestido. Considerando también constante la pérdida por km, obtenemos que la pérdida total en 60 km, sería: x 60 = 0.6 m 3 /seg lo que significa el 1.73 % del caudal total. * Si realizamos una evaluación económica, considerando S/ 0.50 el costo del m 3 de agua se tendría: k) REVESTIMIENTO EN CANALES.- k-1) Finalidad y Justificación: Los revestimientos deben satisfacer los siguientes requerimientos: 1) Crear una barrera impermeable al paso del agua, disminuyendo las pérdidas de esta y permitiendo extender el beneficio del riego a una mayor superficie cultivable. ) Proteger las tierras colindantes de los daños que en ellas causa la filtración eliminando con esto la necesidad de costosas obras de drenaje. 3) Proteger el canal contra la erosión permitiendo una mayor velocidad. Esto a su vez permite reducir la sección con la consiguiente economía en la excavación. 4) Reducir el coeficiente de rugosidad permitiendo el aumento de la velocidad. 5) Evitar el crecimiento de plantas acuáticas en las paredes del canal. Las características de un buen revestimiento deben ser los siguientes: 1) Ser impermeable ) Resistencia a la erosión 3) De bajo costo en cuanto a construcción como a mantenimiento 4) Durable ante la acción de agente atmosféricos, plantas y animales. 17

18 k-) Tipos de Revestimientos: Se han utilizado los materiales más diversos entre los cuales para casos excepcionales se pueden citar la madera, el acero, los plásticos, pero los materiales más comunes son los sgtes: Fabricadas in situ 1) Mezclas con cemento: Prefabricadas ) Mezclas asfálticas 3) Materiales térreos 4) Tratamientos químicos del terreno - Revestimiento de Concreto - Revestimiento de Mortero - Revestimiento de Mampostería - Revestimiento de Fibrocemento - Revestimiento con Ladrillo - Revestimiento Asfáltico (imprimante) - Revestimiento de Concreto Asfáltico - Revestimiento de Suelo-cemento 18