✅ CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE CANALES

Conocemos a los canales como aquellos conductos abiertos o cerrados que tienen como finalidad transportar agua por acción de la gravedad y sin ningún tipo de presión, puesto que la superficie libre del líquido siempre se mantendrá en contacto con la atmósfera. Pueden clasificarse en canales naturales o canales artificiales. Los canales naturales son los cursos que de agua que se generan de forma natural sobre la superficie terrestre, estos pueden ser quebradas, arroyos y ríos. Los canales naturales presentan características irregulares en cuanto a sección o rugosidad se trata, debido a esto siempre se realizan suposiciones empíricas que favorezcan el flujo sobre estos canales y hagan el tratamiento hidráulico más manejable. Por otra parte, los canales artificiales son obras de la ingeniería que se construyan para distintas finalidades, ya sea para vegetación, centrales hidroeléctricas, irrigación, drenaje, etc. 

Los elementos geométricos más importantes de un canal son:

• El tirante: Es la profundad o distancia vertical que presenta un canal, su medida está dada desde el punto más bajo hasta la superficie libre de agua.
• Ancho del canal: También se lo conoce como el ancho superficial, representa el ancho total del canal.
• Área mojada: Es el área en la sección transversal perpendicular al flujo de agua. Esta es el área por donde solo pasa el flujo de agua.
• Perímetro mojado: Es el perímetro de la sección transversal perpendicular al flujo de agua. Solo se considera la longitud de las superficies que estén en contacto con el agua.
• Radio Hidráulico: Este valor es el resultado de relacionar el área mojada con el perímetro mojado.
• Profundidad Hidráulica: Este valor es el resultado de relacionar el área mojada con el ancho superficial del canal.

FLUJO SOBRE UN CANAL

El flujo que existe en un canal se produce por acción de la gravedad y libre de presión por contar con la superficie libre de agua en contacto con la atmósfera. El movimiento que realice el flujo está influenciado por las mismas fuerzas dentro del flujo en una tubería, siendo la fuerza de gravedad, la fuerza de resistencia por las fronteras rígidas, la fuerza de presión sobre las superficies del canal, la fuerza producida por la viscosidad. A todas estas fuerzas también se le adicionan las fuerzas por tensión superficial y las fuerzas ocasionadas por el transporte de sedimentos.

La variación del flujo en canal puede clasificarse según sea la variación que sufra respecto al tiempo y al espacio. De acuerdo a estas características, el flujo puede clasificarse en:

• Flujo permanente y no permanente: Conocemos como flujo permanente a aquel flujo en el cual su profundidad no cambia dentro de un intervalo de tiempo considerado. Mientras que, conocemos al flujo no permanente cuando existe una variación en su profundidad dentro de un intervalo de tiempo.
• Flujo uniforme y variado: Se conoce como flujo uniforme cual la profundidad del flujo se mantiene constante en todas las secciones transversales del canal. El flujo uniforme puede ser permanente y no permanente. Por otra parte, se conoce como flujo variado a aquel flujo donde existen cambios en la profundidad, puede ser rápidamente variado o gradualmente variado.

DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALES

El diseño hidráulico de cualquier sección típica de un canal tiene como principal característica dimensionar y darle la forma geométrica según sea el caudal que será transportado a través de este.

Para el diseño de la sección transversal se debe tomar en cuenta el caudal máximo y la velocidad máxima permisible, de relacionar estos dos términos obtendremos el área mínima de la sección del canal. Se considerar que el caudal transportado siempre será el máximo sobre una misma sección transversal. Las secciones típicas más comunes son: triangular, rectangular, trapezoidal, circular y parabólico. Con la sección transversal diseñada, se debe optar por seleccionar la pendiente del canal, esta pendiente dependerá las condiciones topográficas del terreno, se debe considerar la velocidad máxima permisible, a esta velocidad también se la conoce como velocidad máxima de erosión, también se debe determinar el coeficiente de rugosidad o de Manning según sea el material de la sección transversal.

Fuente: (Cadavid R., 2006)

Cuando se lleva a cabo cada diseño hidráulico de un canal, se debe tener presente que el área de la sección transversal debe ser mayor o igual que el área mínima y que la velocidad del flujo debe ser menor a la velocidad máxima de erosión y mayor a la velocidad mínima para evitar la sedimentación en el canal.

Para determinar el tirante de agua se debe conocer la sección de máxima eficiencia hidráulica y la sección de máxima infiltración. La sección de máxima eficiencia hidráulica es aquella sección por la cual se transporta el máximo caudal y tiene una menor área mojada, en ese sentido, tenemos que el radio hidráulico será el máximo. La sección de mínima de infiltración es aquella sección donde que se diseña con la menor perdida por posible filtración de agua, su diseño se presenta con frecuencia en donde la zona para la construcción del canal es muy permeable.

En cuanto a términos de velocidad se refiere, la velocidad mínima permisible será aquella velocidad en la cual no exista sedimentación de partículas, este valor puede ser variable según sea el tipo de material que sea arrastrado por el canal. La velocidad mínima permisible tiene importancia para evitar el crecimiento de plantas sobre la superficie del canal y puede tomar un valor aproximado de 0.8 m/s. La velocidad máxima permisible será aquella en la cual no exista erosión del material del canal. Su valor varía de acuerdo al tipo de material del canal y al tipo de material que esté transportando el flujo de agua.

La U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que, cuando se diseñe un canal donde el material de revestimiento sea hormigón, la velocidad del flujo de agua varié entre 2.5 y 3 metros por segundo, con la finalidad que existe deterioro del material.

Si existan obras proyectadas, como tomas laterales u obras de alivio lateral, la velocidades tiene que ser controladas con pozas de regulación para evitar la formación de turbulencias que puedan producir posibles perturbaciones que afecten la eficiencia del canal de agua.