17. DEFINICION
Los canales están sujetos a la presión atmosférica en
por lo menos un punto de su sección de
escurrimiento, y sin ninguna presión, pudiendo ser
abiertas o cerradas.
19. FORMA DE LOS CANALES
Los canales artificiales deben tener forma geométrica
definida. Las más comunes son:
• Semicircular, el de mayor eficiencia hidráulica (por
tener menor perímetro hidráulico, menor fricción,
mayor velocidad), difícil construcción, (Buscar canales
que tengan EL MAYOR NÚMERO DE CARAS, Y
ASEMEJARSE A CIRCULARES).
• Circular (tubos de concreto) para galerías de aguas
pluviales y de aguas residuales.
• Trapezoidal (más utilizada) o triangular (carreteras,
vías) para canales excavados en tierra sin
revestimiento;
• Rectangular (lugares donde existe roca), y también
trapezoidal para canales revestidos;
20. Elementos geometricos que caracterizan los
canales
Definido por la forma geométrica del canal y el tirante del flujo.
(Espejo del agua)
(Ancho del
bordo)
21. A Altura de agua “h”
Bordo libre u holgura
B
b
La sección transversal “S” engloba todo el área de excavación para la
construcción del canal (definida por la línea verde);
La sección mojada A es aquella ocupada por el agua durante el
escurrimiento y puede variar de acuerdo con el caudal del canal.
6.1. Sección transversal (S) y
Área mojada o Área hidráulica (A)
ELEMENTOS GEOMETRICOS QUE
CARACTERIZAN LOS CANALES
Superficie ocupada
por el líquido.
22. Sección transversal de canales
trapezoidales
La sección transversal de un trapecio
puede ser calculada por una de estas dos
fórmulas:
y
bB
S *
2
yzbyS ** o
23. Perímetro mojado (P)
Es la línea que limita la sección mojada junto a
las paredes y el fondo del canal.
En las figuras, el perímetro mojado del canal
trapezoidal y del canal rectangular están definidos por
la línea morada.
ELEMENTOS GEOMETRICOS QUE
CARACTERIZAN LOS CANALES
24. El perímetro mojado de un canal trapezoidal
puede ser obtenido por medio de la fórmula:
1*2 2
zybP
Cuanto mayor el perímetro mojado de un canal,
mayor será la superficie de contacto entre el agua que
escurre y las paredes; la fricción ocasionada por este
contacto contribuye para reducir la velocidad media de
escurrimiento.
ELEMENTOS GEOMETRICOS QUE
CARACTERIZAN LOS CANALES
25. Radio hidráulico (Rh)
Radio hidráulico es la relación entre la
sección mojada (área hidráulica “A”) y el
perímetro mojado (P) de un canal.
P
A
Rh
ELEMENTOS GEOMETRICOS QUE
CARACTERIZAN LOS CANALES
26. SECCIONES TRANSVERSALES USUALES
a) Relaciones geométricas para una sección Rectangular
T
b
Y
Ancho Superficial (B) : b
Área (A) : b . y
Perímetro (P) : b + 2y
Radio Hidráulico (R) : b . y
b + 2y
Tirante hidráulico (Ym) : (b y)
b
27. B
1
z
Y
2
1 zy
SECCIONES TRANSVERSALES USUALES
b) Relaciones geométricas para una sección triangular
Ancho Superficial (B) : 2zy
Area (A) : b . y
Perímetro (P) : b + 2y
Radio Hidráulico (R) : b . y
b + 2y
Tirante hidráulico (y) : (b + zy)y
b + 2zy
b = 0
zy zy
28. T
zy zy
Y
b
1
z
f
H
A
2
1 zy
c) Relaciones geométricas para una sección trapezoidal
Ancho Superficial (B) : b + 2zy
Area (A) : (b + zy)y
Perímetro (P) : b + 2 y 1 + z2
Radio Hidráulico (R) : A
P
29.
30. DECLIVIDAD DE LOS CANALES
Para canales de riego, los valores usuales
varían entre 0,1 y 0,4%, o sea:
0,001 m de desnivel por metro de largo de
canal hasta, 0,004 m de desnivel por metro
de largo de canal.
31. DECLIVIDAD DE LOS CANALES
Curvas pueden ser
necesarias para que se
adapten a relevo del terreno.
Gradas pueden ser necesarias
para mantener la declividad.
32. Ecuaciones prácticas para diseño de los canales
Todas las fórmulas usadas actualmente para el diseño
hidráulico de canales, están basadas en la ecuación de
CHEZY (1769), y es conocida como la fórmula
fundamental
CHEZY, pensó inicialmente que C, era constante, sin
embargo, otros investigadores hallaron y demostraron
que C, está en función del:
- Radio hidráulico (Rh),
- Pendiente (s),
- Grado de rugosidad (n),
RScv
33. Ecuaciones prácticas para diseño
de los canales.
Manning (1889), propuso la siguiente relación para
calcular C:
La fórmula de MANNING, es la que ha ganado mayor
popularidad, razón por la cual es la más usada.
V = 1/n R1/6 R1/2 S1/2
V = 1/n R 2/3 S 1/2
Si ....... Q = A . V
Q = A/n R 2/3 S ½
Resumiendo.....................
6
1
*
1
Rh
n
C
34. Ecuación de Manning
V= Velocidad media del
escurrimiento (m/s);
Rh= (m);
S=Declividad del fondo del
canal (m/m);
n= Coeficiente dado en
función de la rugosidad de
las paredes y del fondo
del canal.
n
SRh
V
2/13/2
.
Ecuación de la continuidad
Q = Caudal escurrido en el
canal (m3/s);
V = Velocidad media del
escurrimiento (m/s);
A = Área mojada en la
sección transversal (m2).
Ecuaciones prácticas para diseño de los
canales
VAQ *
35. Factores que afectan el coeficiente de rugosidad de
MANNING.
• Rugosidad de la superficie,
• Vegetación,
• Irregularidad del canal,
• Alineamiento del Canal,
• Depósitos y socavaciones,
• Obstrucción,
• Tamaño y forma del canal,
• Nivel y caudal.
36. MATERIAL “n”
Madera bien trabajada
Cemento liso
Vidrio
Morteros de cemento con 1/3 de arena
Mampostería y ladrillos bien trabajado
Ladrillos rugosos
Mampostería de piedra labrada-revestido con cemento
Hormigón Moldeado
Canales de grava fina
Canales de tierra
0,009
0,010
0,010
0,011
0,013
0,015
0,014
0,016
0,020
0,025
TABLA 01.
Coeficiente de MANNING para diferentes tipos de material.
37. • Los factores a ser considerados en el diseño son:
– La velocidad mínima permitida, y evitar
depósitos si el agua lleva desperdicios,
– La pendiente de fondo del canal y los
pendientes laterales,
– La altura libre,
– La clase de material que forma el cuerpo del
canal (n)
– La sección más eficiente.
Elementos para el diseño de canales
38. Tipos de problemas:
1) Conociendo n, S, A y Rh, calcular Q (se resuelve
directamente);
Ejemplo: Saber el caudal en canal ya construido o
formado por unidades pré-moldadas.
2) Conociendo n, A, Rh y Q, calcular S (se resuelve
directamente);
Ejemplo: Saber cual deberá ser la declividad del canal.
3) Conociendo Q, n y S, calcular A y Rh (por tentativas).
Ejemplo: Definir que forma deberá tener el canal.
DISEÑO DE CANALES CONSIDERANDO MOVIMENTO
UNIFORME
39. 1) En un canal trapezoidal de ancho de solera 0,7 m y
Talud 1 (z = 1), escurre un caudal de 1,5 m3/s, con
una velocidad de 0,8 m/s, teniendo un valor de n =
0,025, Calcular la pendiente del Canal.
2) Calcular el tirante de un canal tipo trapezoidal,
que conduce un canal de 500 L/s, el ancho de la
solera tiene 50 cm, el coeficiente “n” de Manning,
es 0,014, el talud 1, y la pendiente es uno por mil.
Ejemplos de cálculo para el 1er y 2do tipo
40. 3) Se desea construir un canal de sección transversal
trapezoidal, rectilínea y uniforme en todo el largo con
una declividad de 0,4%. El caudal a transportar es 310
L/s. Dimensione la sección transversal de este canal,
considerando que la velocidad media del agua no
debe superar 0,9 m/s y la inclinación lateral de las
paredes debe ser de 1,5:1. Con relación a la
naturaleza de las paredes, utilice el coeficiente para
canales con paredes de tierra, rectos, uniformes y en
buen estado (n = 0,025).
Ejemplos de cálculo para el 3er tipo.
41. Ecuaciones necesarias:
yzbyA . 1.2 2
zybP
2
1
3
2
1
SRh
n
V
Área mojada Perímetro mojado
Velocidad media Caudal
Desarrollo del problema:
AVQ *
42. Todos los cálculos se refieren a la sección mojada A:
1,5
b = 0,4m
1A
Pasos para resolver el problema:
a)Habrá dos variables indefinidas en este tipo de
problema, “y” y “b”, ya que el tipo de suelo
permitirá definir el valor de “z”. Para resolver
el problema deberemos predefinir una de ellas
y trabajar con la otra, haciendo tentativas.
43. Iniciaremos escogiendo cual valor será establecido, y
o b. En este ejemplo vamos suponer que el valor de b
tenga que ser definido en función de las dimensiones
de la “pala” de la retroexcavadora que será contratada
para construir el canal.
Definiremos b = 0,4m. A seguir atribuiremos un
valor cualquier para “y” y daremos continuidad a los
cálculos;
b) Con el valor de “y” escogido, calcular la sección
mojada A;
c) Calcular el perímetro mojado P;
d) Calcular el radio hidráulico Rh;
44. e) Calcular la velocidad media del escurrimiento V. Si el
valor calculado fuese mayor que el limite establecido
para impedir la erosión, cambios tendrán que ser
hechas de modo para reducir la velocidad media. Se
puede conseguir esto aumentando el perímetro
mojado o reduciendo la declividad del canal, cuando
esto fuera posible;
f) Calcular el caudal Q y verificar si coincide o se
aproxima suficientemente del valor solicitado en el
enunciado del problema.
g) Caso el valor encontrado sea menor que el necesario,
el valor de “y” deberá ser aumentado, en una nueva
tentativa.
45. • Caso el caudal sea excesiva, el valor atribuido a
“y” deberá ser reducido.
• La secuencia de cálculos debe ser repetida hasta
encontrar el valor de “Q” necesario, como en el
ejemplo del cuadro presentado a seguir;
Ancho del fondo (b) Altura de agua Área mojada Perímetro mojado Radio hidráulico Velocidad Caudal
(metros) (metros) (m2) (metros) (metros) (m/s) (m3/s)
0,4 0,6 0,78 2,56 0,304 1,14 0,893
0,4 0,4 0,40 1,84 0,217 0,91 0,366
0,4 0,3 0,26 1,48 0,172 0,78 0,200
0,4 0,37 0,35 1,73 0,204 0,88 0,310
46. Considerando un bordo libre para evitar
transbordamientos de 0,13m, las dimensiones de la
sección transversal S del canal serán:
0,5 m
0,4 m
1,9 m
47. • Uno de los factores que intervienen en el costo de
la construcción de un canal es el volumen por
excavar, este a su vez depende de la sección
transversal.
• Una sección es de Máxima Eficiencia Hidráulica,
cuando para la misma área hidráulica, pendiente
y calidad de paredes deja pasar un Caudal
Máximo.
Secciones de Máxima Eficiencia Hidráulica.
2
1
3
2
SR
n
A
AVQ
48. • La condición de GASTO MÁXIMO se reduce a la de
RADIO HIDRÁULICO puesto que A, n, S son
conocidos,
• Vemos que R=A/P, será máximo cuando P sea mínimo
• Ya se dijo que de todas las secciones que pueda obtenerse,
la semicircular es la que tiene el mínimo perímetro
mojado, pero no siempre se utiliza en la construcción de
canales, debido a que implica un costo elevado
2
1
3
2
SR
n
A
AVQ
49. • Se da en este tipo de canales, la MEH, cuando la relación
SOLERA (b), y TIRANTE (y) es igual, al doble de la mitad
de la tangente del ángulo de elevación del talud.
Consideramos un canal de
sección trapezoidal
2
tan2
y
b
Relación Plantilla - Tirante
• En otros términos, esta mayor
eficiencia hidráulica, se da cuando el
Rh, es igual a la mitad del TIRANTE
(y) (Condición de MEH.) 2
y
Rh
50. • La sección trapezoidal que permite una mínima
infiltración de agua a través de sus paredes manteniendo
constante el área mojada, así su perímetro húmedo, es
aquel que tiene menor carga hidráulica (y) en relación
estrecha a la plantilla (b) y a la inclinación de los taludes,
puesto que a mayor carga, habrá mayor presión sobre las
paredes del canal, de acuerdo al principio básico de la
hidrostática
• En una canal trapezoidal se produce mínima infiltración a
través de las paredes, cuando la relación plantilla (b)
tirante (y), es:
2
tan4
y
b
Secciones de Mínima Infiltración
51. • Igualando las dos anteriores condiciones y sacamos el
promedio, tendremos:
2
tan2
y
b
2
tan4
y
b
Sección de MÁXIMA EFICIENCIA
HIDRÁULICA
Condición de MINIMA
INFILTRACION
2
tan3
y
b
55. 2) Tenemos un canal rectangular, revestido, el
cual tiene una condición de MEH, con una
velocidad de 1m/s. Además sabemos que se
tiene un resguardo de 0,15, y una corona de
0,50. ¿Calcular las condiciones geométricas y
condiciones hidráulicas del canal, para que
conduzca 150 L/s?
n = 0,014 (canales revestidos)
EJEMPLOS
57. mpzybp 00,1)25,0(250,0
5.- Cálculo del perímetro mojado
6.- Cálculo del radio hidráulico
mRh 15,0
7.- Cálculo de la pendiente
milpor
Rh
nv
S 4,20024,0
15,0
014,0*1*
3
4
22
3
4
22
58. 8.- Comprobación
!!!!150,0150,0
0024,0*15,0*
014,0
150,0
150,0 2
1
3
2
OK
Condiciones Geométricas Condiciones Hidráulicas
H
(m)
z
(1,5:1)
b
(m)
f
(m)
y
(m)
C
(m)
Q
(m3/s)
A
m2
v
m/s
P
(m)
n
---
S
o/oo
Rh
(m)
9.- Este cuadro resumen, se acompaña en el plano del
diseño.
