4 conduccion de aguas (1).pdf
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-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