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.