Consideraciones para el diseño hidráulico de canales


El diseño de un canal se plantea teniendo como datos:

  • Geometría
  • El gasto máximo que debe conducir,
  • La rugosidad de sus fronteras y
  • La pendiente disponible de acuerdo con la topografía del terreno en que se va a construir. 
El diseño de un canal comprende su revestimiento y la determinación de las características hidráulicas como la velocidad y el tirante que permiten establecer el régimen del flujo de agua en el canal. En el diseño se deben tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal y taludes, etc.

Según Sotelo Ávila, 2002, los principales consideración a tomar en cuenta para el diseño de canales abiertos son:
  1. La resistencia al flujo no es la única consideración importante en el diseño y, por ello, la sección hidráulica óptima no siempre representa la mejor solución, sobre todo, económica.
  2. El área hidráulica es únicamente el área de paso del agua; el volumen total de excavación debe también incluir libre bordo, bermas, camino de inspección, cunetas, etc.
  3. El costo de la excavación no depende únicamente de la cantidad de material removido. Consideraciones como la facilidad de acceso al sitio y la remosión del material de desecho pueden ser más importantes que el volumen excavado.
  4. Si el cuerpo del canal tiene que protegerse, el costo del recubrimiento puede ser comparable con el de la excavación e incluso ser mayor.
  5. Cuando la pendiente en canales cortos no queda absolutamente fijada por la topografía local, se debe considerar como una variable en los cálculos de economía. Un valor reducido de la pendiente suele requerir un área hidráulica mayor, aunque menos excavación en cortes laterales.
  6. Pendientes reducidas y dimensiones amplias de la sección producen además velocidades del flujo pequeñas, que pueden ser inferiores a la de sedimentación del material que transporta el agua y propiciar el crecimiento de vegetación, lo que aumenta el costo del mantenimiento por los depósitos de sedimento que se producen.
  7. En el diseño de un canal no recubierto las dimensiones de la sección se deben elegir de modo que el material resista la acción erosiva del agua, es decir, que el flujo no erosione las fronteras y modifique su geometría, y con ésta su capacidad de conducción; también que su costo de operación y mantenimiento sean mínimas y que su perímetro mojado sea el menor posible para que ocurra la mínima filtración en el subsuelo.
  8. En canales recubiertos el volumen de excavación y la superficie de recubrimiento son factores importantes en el costo, por lo cual su optimización lo reduce. En muchos casos, el área hidráulica queda supeditada a la pendiente disponible. Si dicha pendiente aumenta, en general se reduce el costo del canal, pero esto puede significar menor elevación en su extremo final y dominar menores áreas de cultivo si el canal es de riego, o menor carga disponible sobre las máquinas si es para alimentar una planta hidroeléctrica.
  9. En general, un canal de conducción se diseña a flujo uniforme en régimen subcrítico, excepto cuando se trate de canales cortos y de rápidas en canales de descarga de obras de excedencia. El régimen del flujo no debe ser el crítico ni próximo a él, ya que al cambiar las condiciones de diseño por imperfecciones en la construcción, o por deficiente conservación con el tiempo, suelen ocurrir condiciones de inestabilidad del nivel del agua que reducen los márgenes de seguridad.
  10. En los canales de fondo y paredes fijas, con o sin recubrimiento de superficie dura, se debe limitar la velocidad media máxima del flujo para evitar el desgaste y la erosión continua del cuerpo del canal por efecto de la turbulencia, abrasión y eventual cavitación.
  11. La elección del ancho o del tirante en canales pequeños carece de importancia, toda vez que la eficiencia hidráulica se ve poco afectada dentro de un intervalo razonable de la proporción ancho/tirante. Ésta suele ser del orden de 2.
  12. En canales grandes conviene limitar el tirante a un máximo de 3 m para evitar el costo excesivo en la construcción de terraplenes altos en las márgenes, que sean seguros bajo la presión del agua, así como minimizar el peligro de falla de los mismos. Cuando el corte es en roca o en otros materiales firmes, no existe gran peligro en utilizar tirantes mayores. La proporción ancho/tirante puede llegar a ser igual a 8.

Referencias 
Sotelo Ávila, G. (2002). Hidráulica de Canales. México: UNAM.

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