Última revisión: 12 de Febrero de 2007
Los canales son conducciones a superficie libre que se utilizan en sistemas de suministro de agua y en sistemas de drenaje de aguas lluvias.
En los sistemas de suministro de agua los canales pueden emplearse entre la captación y el tanque sedimentador, y luego entre el desarenador y el tanque de almacenamiento. Posteriormente, dependiendo de la forma como se programe la distribución del agua a partir del tanque de almacenamiento, se utilizan tuberías o combinaciones de tuberías y canales.
Los sistemas de drenaje de aguas lluvias constan de un canal principal y una serie de ramales secundarios y terciarios que captan en sus recorridos los caudales de escorrentía que se generan en sus áreas de influencia.
A continuación se muestran unos esquemas típicos:
Dentro del estudio de los canales se incluyen los canales naturales y los canales artificiales.
Programa de cálculo de CANALES PRISMÁTICOS.Los canales naturales también se conocen como corrientes naturales; toman los nombres de ríos, quebradas, arroyos, caños o zanjones de acuerdo con su importancia. Se caracterizan porque su caudal es variable, transportan material sólido como carga de fondo o en suspensión, están sometidos a procesos de socavación y de sedimentación, cambian de curso, forman brazos e islas, sufren continuos ataques de las corrientes contra las márgenes y pueden desbordarse generando inundaciones en las zonas aledañas.
Los canales artificiales se conocen simplemente como canales. Se diseñan y se construyen para conducir volúmenes determinados de agua desde una fuente de suministro hasta un centro de consumo. Su funcionamiento está controlado y no deben estar sujetos a procesos de erosión y sedimentación. En tramos de muy baja pendiente pueden ser excavados en el terreno natural y no necesitan revestimiento; sin embargo, en la mayoría de los casos los canales son revestidos en arcilla, colchonetas, piedra pegada, losas de concreto, concreto reforzado o elementos prefabricados.
El régimen de flujo en un tramo particular de un canal se clasifica en función del Número de Froude, NF, el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y de gravedad.
En el régimen supercrítico (NF > 1) el flujo es de alta velocidad, propio de canales de gran pendiente. El flujo subcrítico (NF <1) corresponde a un régimen de llanura con baja velocidad. El flujo crítico (NF= 1) es un estado que representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.
Debido a que en el diseño de un canal puede resultar conveniente realizar cambios de alineamiento, de sección transversal, de pendiente, o de materiales a lo largo de su recorrido, es conveniente dividir la longitud total del canal en tramos. Cada tramo es un canal prismático, y tiene constantes la pendiente longitudinal, las dimensiones de la sección de flujo y la rugosidad.
En canales prismáticos con flujo permanente los valores fundamentales de diseño son la Profundidad Normal de Flujo (Yn) y la Profundidad Crítica (Yc), los cuales se calculan con base en el Caudal (Q), la Rugosidad (n), la Pendiente longitudinal (S), la Aceleración de Gravedad (g) y la Sección Transversal del Canal. Esta última se define con el Área de Flujo (A), el Ancho de la Superficie Libre (T) y el Perímetro Mojado (P).
Las ecuaciones que se aplican para diseño, en SISTEMA MÉTRICO, son las siguientes:
Para Yn: Ecuación de Manning (Chow, 1959)
Q n / S 1/2 = A 5/3 / P 2/3
Para Yc: Ecuación del Flujo Crítico (Número de Froude = 1)
Q / g 1/2 = A 3/2 / T 1/2
Para presentar un ejemplo sobre las herramientas que se utilizan usualmente en el cálculo de canales he preparado un programa de aplicación (software) que calcula Yn, Yc y las Velocidades respectivas en canales triangulares, rectangulares, trapezoidales y circulares. La aplicación puede ejecutarse en computadores que tengan instalado el sistema operativo Microsoft Windows 95 o posterior.
Para su correcta ejecución siga los pasos que se indican a continuación:
- Haga click aquí.
- Escoja la opción Guardar. Baje los archivos a su computador. Recuerde que cuando se bajan archivos de Internet es necesario hacer un chequeo con un antivirus confiable y actualizado antes de abrirlos.
- Abra el archivo canals.exe. Escriba la clave 1185 en la casilla correspondiente y oprima OK
- Seleccione el tipo de canal: Trapezoidal o Circular
- Utilice el programa siguiendo las instrucciones.
Ejemplos
1. Un canal trapezoidal de 10 m de base, talud 1:1 y altura de 1.50 m tiene una pendiente longitudinal de 0.001. El canal está revestido en concreto liso ( n = 0.014) y conduce un caudal de 20 m3/s. En caso de que se presente desbordamiento se cuenta con una zona inundable que tiene un ancho B = 30 m; la rugosidad en la zona inundable es n = 0.030. Calcular Yn, Yc.
Datos: n= 0. 014, S = 0. 001, b = 10, m = 1, h = 1. 50, Zona inundable: B = 30, n = 0.030
Respuestas: No hay desbordamiento Yn = 0.93 m, Yc = 0.72 m2. Repetir el cálculo para un canal rectangular.
Datos: n= 0. 014, S = 0. 001, b = 10, m = 0, h = 1. 50, Zona inundable: B = 30, n = 0.030
Respuestas: No hay desbordamiento Yn = 1.oo m, Yc = 0.74 m3. Repetir el cálculo para un canal triangular. Angulo al centro = 90 °.
Datos: n= 0. 014, S = 0. 001, b = 0, m = 1, h = 1. 50, Zona inundable: B = 30, n = 0.030
Respuestas: Hay desbordamientoCaudal en el canal principal: 9.59 m3/s
Caudal por la planicie inundable: 10.41 m3/s
Yn = 2.06 m, (Yc = 1.80 m en el canal principal)4. Un canal circular de concreto liso (n = 0.013) tiene 1. 50 m de diámetro y una pendiente longitudinal de 0.003. El canal conduce un caudal de 2 m3/s. Calcular Yn, Yc.
Datos: n= 0. 013, S = 0. 003, D = 1. 50
Respuestas: Yn = 0.77 m, Yc = 0.73 m
Estructuras en Canales
Las estructuras que se construyen en los canales son las siguientes:
- Captaciones, o estructuras de entrada,
- Compuertas y Vertederos, para derivaciones, medición de caudales y control de niveles,
- Transiciones, para empalmar tramos de diferente sección transversal,
- Sifones y Acueductos, o puentes, para atravesar corrientes naturales y cruzar por depresiones del terreno.
- Túneles, para atravesar obstáculos naturales,
- Rampas, escalones y disipadores de energía, para controlar las velocidades en canales de alta pendiente.
- Descargas, o estructuras de entrega.
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