Asignación de Canales

Revisión de literatura

Definición de canal

Según Cadavid, (2006) "un canal es toda conducción abierta o cerrada, que exige un funcionamiento de flujo a superficie libre".

Tipos de canales

Cadavid, (2006) en su libro los clasifica como canales naturales y canales artificiales.

• Canales Naturales

Hacen parte de esta categoría aquellos que la acción exclusiva de los agentes de la naturaleza (en particular la erosión) ha conformado a lo largo del tiempo. Esto es las corrientes naturales, como: ríos, arroyos y quebradas.

• Canales Artificiales

Son los canales proyectados y construidos por el hombre, como por ejemplo: vías navegables, sistemas de alcantarillado, cunetas, vertederos de excedencias, aforadores, obras de rectificación para corrientes naturales, conducciones para abastecimiento de agua potable, canaletas, acequias y canales para riegos, entre otros.

Flujo en un canal

Sotelo (2002) expresa que el flujo en un canal se produce, principalmente, por la acción de la fuerza de gravedad y se caracteriza porque expone una superficie libre a la presión atmosférica, siendo el fluido siempre un líquido, por lo general agua.

El movimiento de un líquido a superficie libre se ve afectado por las mismas fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo, a saber:

• La fuerza de gravedad, como la más importante en el movimiento.

• La fuerza de resistencia ocasionada en las fronteras rígidas por la fricción y la naturaleza casi siempre turbulenta del flujo.

• La fuerza producida por la presión que se ejerce sobre las fronteras del canal, particularmente en las zonas donde cambia su geometría.

• La fuerza debida a la viscosidad del líquido, de poca importancia si el flujo es turbulento.

A estas se agregan, excepcionalmente, las siguientes:

• La fuerza de tensión superficial, consecuencia directa de la superficie libre.

• Las fuerzas ocasionales debidas al movimiento del sedimento arrastrado.

Clasificación cinemática del flujo en canales

De acuerdo a lo que expresa Cadavid, la profundidad, la velocidad media o el caudal de un flujo a superficie libre pueden transformarse a lo largo del trazado de un canal y durante un tiempo dado. Simbólicamente:

Q = Q (s,t)

V = V (s.t)

y = y (s.t)

Se puede establecer una clasificación cinemática del flujo en canales con base en un examen de las posibles variaciones espacio-temporales de las citadas variables.

Criterio Temporal

Se distinguen dos tipos de flujos: flujo permanente y flujo transitorio.

• Flujo Permanente: se entiende que el flujo de un canal presenta esta característica cuando el caudal que transporta es independiente del tiempo. Se admite, por consiguiente, que el varia espacialmente Q = Q (s) o bien que es constante.

En estas condiciones, la profundidad del flujo es también independiente del tiempo, y = y (s), de suerte que el nivel de la superficie libre muestra una forma invariable en el tiempo. Idéntico comportamiento se muestra para la velocidad media de cada punto V = V (s).

• Flujo Transitorio: se concluye que en un canal se produce un transitorio cuando el caudal que lleva cambia con el tiempo, sin necesidad de descartar que también ello ocurra espacialmente. Puede aceptarse, intuitivamente, que la variación del caudal afecta la profundidad del flujo en una sección dada del canal.

Criterio Espacial

• Flujo Variado: considérese un flujo inicialmente permanente, Q =cte. Los efectos de la pendiente, rugosidad, irregularidad de la sección y cambios de alineamiento inducen variaciones en la profundidad a lo largo del trazado de un canal, esto es, y (s). esta condición se denomina flujo variado.

Por otro lado la ecuación de continuidad requiere que la velocidad media dependa también de la posición V (s).

• Flujo Uniforme: en un canal el flujo es uniforme si la profundidad no cambia a lo largo de este.

Esta condición de flujo uniforme solo se puede materializar si los siguientes factores se preservan constantes a lo largo de un canal: sección transversal, pendiente del canal, rugosidad, alineamiento horizontal.

Al mantenerse inmodificada la sección trasversal y la profundidad a lo largo del canal, se concluye que los elementos geométricos de la sección (área del flujo especialmente) se conservan así mismo invariables en el flujo uniforme.

Geometría de un canal

Según Sotelo (2002) en lo relativo a la geometría en el sentido longitudinal, pendiente de un canal es el coeficiente So del desnivel entre dos puntos sobre la plantilla y la distancia horizontal que los separa.

La sección de los canales naturales es de forma muy irregular y varia continuamente de un sitio a otro. Los artificiales con frecuencia se diseñan con secciones geométricas regulares, siendo las más comunes: la trapecial, la rectangular, la triangular y la semicircular. La parabólica se usa como aproximación en los naturales. En túneles donde el flujo sea a superficie libre, es frecuente encontrar las formas circular y de herradura.

Tipos de sección transversal empleadas en canales

Cadavid refiere que los canales artificiales se construyen con unas secciones transversales cuya forma obedece a uno, o unos, entre los siguientes criterios: una aplicación específica, economía, topografía, resistencia estructural o estabilidad geotécnica. A continuación menciona una descripción de las clases utilizadas con mayor frecuencia:

• Sección Rectangular: son sus parámetros geométricos, el ancho de base b y la altura h. puede afirmarse que es la sección más simple entre todas las usadas en las aplicaciones prácticas de la hidráulica de canales.

• Sección Trapezoidal: queda determinada por los mismos parámetros que caracterizan la rectangular, b, h, a los que se agregan los taludes laterales Z1.Z2. es la solución más recomendada cuando es indispensable excavar para construir un canal.

• Sección Triangular: se caracteriza por el parámetro talud Z1.Z2 y por h. se le utiliza primordialmente en canales destinados al drenaje.

• Sección Circular: se especifica con único parámetro geométrico, el diámetro d. es raro que se le use de forma abierta, salvo como vertedero para aforo. Lo habitual es hacerlo como sección transversal cerrada y podría operar a presión.

Los elementos geométricos

Según Sotelo, los elementos geométricos más importantes de la sección transversal de un canal se describen como:

• Tirante: es la distancia y perpendicular a la plantilla, medida desde el punto más bajo de la sección hasta la superficie libre del agua. Es decir en normal a la coordenada x.

Se designa por h a la distancia vertical desde la superficie libre al punto más bajo de la sección, es decir a la profundidad de dicho punto y se satisface la relación.

• Ancho de superficie libre: es el ancho T de la sección del canal, medido al nivel de la superficie libre.

• Área hidráulica: es el área A ocupada por el flujo en la sección del canal.

Es fácil observar que el incremento diferencial del área dA, producido por el incremento dy del tirante, es dA= T dy, y por tanto

• Talud: designa la inclinación de las paredes de la sección y corresponde a la distancia k recorrida horizontalmente desde un punto sobre la pared, para ascender la unidad de longitud a otro punto sobre la misma.

Formula de Manning

Tchobanoglous, (1985) expresa lo siguiente; basándose en trabajos realizados a finales del pasado siglo, Robert Manning dio a conocer su famosa fórmula para flujo en lámina libre. Aunque esta fórmula fue originalmente concebida para el proyecto de canales abiertos, actualmente se utiliza para cerrados.

Donde:

V = velocidad

N = coeficiente de rugosidad

R = radio hidráulico

S = pendiente de la línea de carga

Ejercicio de canal

• 1) Por un canal trapezoidal de 6m de anchura de solera y pendientes de las paredes de 1 sobre 1 circula agua a 1,2m de profundidad con una pendiente de 0,0009. Para valor de n= 0,025, ¿Cuál es el caudal? (Giles, 2002).

Referencias bibliográficas

Cadavid, J. H. (2006). Hidráulica de canales. Fundamentos. Colombia: Universidad EAFIT.

Giles, R. V., Evett, J. B. & Liu, C. (2002). Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. (3ª Ed.). U.S.A.: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA, S.A.

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

Tchobanoglous, G. (1985). Ingeniería Sanitaria, Redes de Alcantarillado y Bombeo de Aguas Residuales. España: Editorial Labor S.A.

Autor:

Evelyn Fuentes

UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AGRÍCOLA

ASIGNATURA: HIDRÁULICA

PROFESOR:

Víctor Malavé

Maturín, septiembre de 2010.