Topografía de canales

Introducción

La localización de un canal importante es algo parecida a la descrita para las carreteras, excepto que las pendientes son relativamente pequeñas y las diferencias de elevación pequeñas tienen relativamente mayor importancia. Debido a la falta de flexibilidad en las pendientes permitidas, el número y variedad de alternativas que se deben investigar durante el reconocimiento son generalmente mucho menores que en la localización de una carretera. Para el reconocimiento deberá usarse el nivel de anteojo generalmente, poniendo trompos a distancias de mas o menos cien metros a la elevación de la rasante requerida y hace desde un punto de control a un extremo de la línea. La pendiente se elige de manera que el agua corra con la velocidad deseada en la sección transversal elegida para el canal. Como en el caso de las carreteras, la preliminar puede hacerse exclusivamente en el campo o con una combinación de procedimientos de campo y aéreos. Cuando se utilizan procedimientos topográficos, generalmente la brigada de nivel va adelante, poniendo estacas a la rasante como una guía para la localización correcta de la línea. Se traza luego una poligonal con el tránsito o la plancheta, con cinta con estadía a lo largo de la línea estacada obteniendo suficientes datos topográficos y planimetritos, con los que se pueda trazar la línea definitiva en su posición correcta.

En general, los trabajos topográficos para la localización y construcción de un canal son los mismos que para una carretera o ferrocarril. Existen, sin embargo, algunas diferencias en el proyecto que se hace en el gabinete de la línea central debido principalmente a la forma de la sección transversal. En los cortes de poca profundidad, la sección transversal del canal tiene la forma de un canal excavado con un terraplén a cada lado, construidos con el material excavado. En ladera el material excavado se usa para formar un terraplén en el lado de ladera abajo del canal. En vez de construir un terraplén en los tramos bajos, como se haría al construir un ferrocarril o una carretera, se usan comúnmente un acueducto o un sifón invertido.

DESARROLLO DEL TEMA

Generalidades

En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, no es lo más importante puesto que el caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta y la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de canales, el diseñador tendrá una visión mas amplia y será mas eficiente, motivo por lo cual el ingeniero agrícola destaca y predomina en un proyecto de irrigación.

Partes de un canal

A lo largo de un canal de riego se sitúan muchas y variadas estructuras, llamadas "obras de arte", estas son, entre otras:

• Obras de Derivación.- que como su nombre lo indica, se usan para derivar el agua (utilizando partidores), desde un canal principal (ejm. una acequia) a uno secundario (ejm. un brazal), o de este último hacia un canal terciario, o desde el terciario hacia el canal de campo y el cañón de boquera. Generalmente se construyen en hormigón, o en mampostería de piedra, y están equipadas con compuertas, algunas simples, manuales (también denominadas tablachos, y otras que pueden llegar a ser sofisticadas.

• Controles de Nivel.- muchas veces asociadas a las obras de derivación, son destinadas a mantener siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un cierto rango y, especialmente en los puntos terminales, con una inclinación descendente

• Controles de seguridad.- estos deben funcionar en forma automática, para evitar daños en el sistema, si por cualquier motivo hubiera una falla de operación (alguien decía alguna vez, que no puede ser que si una vaca decide acortarse en el canal a tomar el fresco, todo el sistema, en cascada se autodestruya), esto que parece una broma es tomado muy en serio por los proyectistas de los sistemas de riego. Existen básicamente dos tipos de controles de seguridad: los vertederos, y los sifones;

• Secciones de aforo.- destinadas a medir la cantidad de agua que entra en un determinado canal, en base al cual el usuario del agua pagará, por el servicio. Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas muy sencillas, constan de una regla graduada que es leída por el operador a intervalos pre establecidos, hasta sistemas complejos, asociados con compuertas autorregulables, que registran el caudal en forma continua y lo trasmiten a la central de operación computerizada.

• obras de cruce del canal de riego con otras infraestructuras existentes en el terreno, pertenecientes o no al sistema de riego. Estas a su vez pueden ser de:

• cruce de canal de riego con un canal de drenaje del mismo sistema de riego;

• cruce de un dren natural, con el canal de riego, a una cota mayor que este último

• cruce de canal de riego con una hondonada, o valle;

• cruce de canal de riego con una vía.

Canales de riego por su función

Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:

• Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.

• Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.

• Canal de tercer orden.- Llamados también sub – laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad de rotación.

De lo anterior de deduce que varias unidades de rotación constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o codificación del canal madre o de primer orden.

Elementos básicos en el diseño de canales

Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros:

• Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica:

• Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc.

• Planos topográficos y catastrales.

• Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.

Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo.

En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos:

• a) Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final.

• b) Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m.

• c) Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea:

• Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500.

• Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.

• Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.

Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente:

Tabla 01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s

Fuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI,

Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.

Tabla 02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua

Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe"

Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.

Tabla 03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7

"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978.

• Elementos de una Curva de un Canal

• Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10.

Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:

• La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original.

• Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren.

• La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua.

• Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal.

• El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información.

• Kilometraje

• Cota de terreno

• Cota de rasante

• Pendiente

• Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva

• Ubicación de las obras de arte

• Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje

• Tipo de suelo

• Sección típica de un canal

Donde:

T = Ancho superior del canal

b = Plantilla

z = Valor horizontal de la inclinación del talud

C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.

V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.

H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.

En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del tráfico.

Sección hidráulica óptima

• Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica.

Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es:

• Determinación de Mínima Infiltración.

Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es:

La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.

Tabla 04. Relación plantilla vs. Tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas.

De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = Y/2 . Donde: R = Radio hidráulico, e Y = Tirante del canal.

No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación.

Diseño de secciones hidráulicas

Se debe 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, taludes, etc.

La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:

• Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconvenient e debido a los altos costos.

• Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La siguiente tabla nos da valores de "n" estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño:

Tabla 05. Valores de rugosidad "n" de Manning

Tabla 06. Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes.

• Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material:

Tabla 07. Taludes apropiados para distintos tipos de material

Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo

de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974

Tabla 08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo

Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de

Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974

• Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal.

La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos.

Tabla 09. Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetación

Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978

Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos.

Tabla 10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia.

Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978

Esta tabla 10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante.

• Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.

La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente formula:

Donde:

Borde libre: en pies.

C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg.

Y = Tirante del canal en pies.

Tabla 11. Borde libre en función del caudal

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7

"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978

Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:

Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal

Fuente: Villón Béjar, Máximo; "Hidráulica de canales",

Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de

Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981

Conclusiones

• Los canales de riego tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo o huerta donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes, que deben ser cuidadosamente pensadas para no provocar daños al ambiente y para que se gaste la menor cantidad de agua posible. Están estrechamente vinculados a las características del terreno, generalmente siguen aproximadamente las curvas de nivel de este, descendiendo suavemente hacia cotas más bajas (dándole una pendiente descendente, para que el agua fluya más rápidamente y se gaste menos líquido).

• La construcción del conjunto de los canales de riego es una de las partes más significativas en el costo de la inversión inicial del sistema de riego, por lo tanto su adecuado mantenimiento es una necesidad imperiosa.

• Las dimensiones de los canales de riego son muy variadas, y van desde grandes canales para transportar varias decenas de m3/s, los llamados canales principales, hasta pequeños canales con capacidad para unos pocos l/s, son los llamados canales de campo.

Anexos

Bibliografía

• HARVEY CONDORI LUQUE – Ingeniero Agrícola – Especialista en Manejo de Recursos Naturales Perú – Puno – diciembre de 2004.

• VILLÓN BÉJAR MÁXIMO; "Hidráulica de canales" – Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica – Editorial Hozlo – Lima, 1981.

• "INTERNATIONAL INSTITUTE FOR LAND RECLAMATION AND IMPROVEMENT" –Principios y Aplicaciones del Drenaje – Tomo IV – Wageningen The Netherlands 1978.

• SALZGITTER CONSULT GMBH – "Planificación de Canales – Zona Piloto Ferreñafe" – Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones –Chiclayo 1984.

• MINISTERIO DE AGRICULTURA – Boletín Técnico N- 7 "Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" – Lima 1978.

• AGUIRRE PE, JULIÁN – "Hidráulica de canales" – Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT- Mérida- Venezuela, 1974.

Autor:

Moreno Chiroque Raúl

Garcia Togas Giancarlo Warner

" AÑO DEL CENTENARIO DE MACHUPICCHU PARA EL MUNDO"

FACULTAD DE AGRONOMÍA

ESCUELA DE INGENIERIA AGRÍCOLA

TRABAJO ENCARGADO

CURSO : TOPOGRAFÍA II

PROFESOR : ING. GILMER CAMACHO LÁZARO

Piura, 28 de diciembre del 2011