Mini-Curso de Diseño de Canales Con Régimen Uniforme-Parte I: Aspectos Hidráulicos Básicos

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Mini-Curso de Diseño de Canales Con Régimen Uniforme-Parte I: Aspectos Hidráulicos Básicos

Curso de Diseño de Drenaje Urbano en UDEMY

El paso inicial en el Diseño de Canales, de forma similar a cualquier otra disciplina dentro de la Ingeniería Civil, involucra conocer y comprender algunos conceptos relacionados con la Hidráulica que serán necesarios no sólo para definir las propiedades geométricas del canal, sino también para establecer bajo qué condiciones circulará el agua en el conducto. Revisémoslos a continuación:

¿Flujo a Presión o Flujo a Superficie Libre?

Las aplicaciones de la Hidráulica en la Ingeniería Civil se concentran principalmente en la resolución de problemas bajo dos condiciones de flujo:

  • La primera es la del Flujo a Presión, en la cual el agua conducida ocupa la totalidad de la sección transversal del conducto (tubería) y además presenta condiciones de presiones internas superiores a la presión atmosférica.
  • El segundo tipo o condición es el Flujo a Superficie Libre (o en canal), en el que ya el fluido ocupará la totalidad de la sección del conducto (canal o tubería) sólo cuando se excede la capacidad de diseño de éste para las condiciones dadas, siendo la condición normal (o de diseño) que sólo se ocupe parte de la sección transversal del conducto. En cualquier caso en el Flujo a Superficie Libre la presión del fluido en el conducto es igual a la presión atmosférica, dependiendo su movimiento de la pendiente que se le dé al conducto (es decir de la gravedad).

En la mayoría de las aplicaciones relacionadas con la Recolección de Aguas Servidas y/o Pluviales, así como en algunas en el Abastecimiento de Agua resulta más conveniente que la conducción del agua se realice bajo condiciones de Superficie Libre y, de allí que su diseño se realice siguiendo los criterios del Diseño de Canales según veremos aquí y en las próximas partes de este Mini-Curso.

¿Flujo Permanente o Flujo Transitorio?

Enfocándonos entonces en el Flujo a Superficie Libre para lo que será el Diseño de Canales, es necesario también diferenciar entre las dos categorías del movimiento del fluido: El Movimiento Permanente (también conocido como estacionario) y el No Permanente o Transitorio:

  • En el Régimen Permanente no existe dependencia entre las magnitudes del flujo con el tiempo, es decir, parámetros como la velocidad, Altura de Agua y Caudal se consideran constantes con respecto al Tiempo.
  • En forma opuesta, en el Régimen No Permanente las magnitudes del flujo si serán dependientes del Tiempo, lo cual implica por un lado que las magnitudes del flujo serán variables en el tiempo y, por otro lado, que la resolución de las ecuaciones involucradas toma cierto nivel de complejidad (al verse involucrado el tiempo en ellas).
En realidad, la condición que impera en los Canales y otros Sistemas conduciendo agua es la Del Régimen No Permanente, y un caso claro es el correspondiente a la variación temporal que tiene el Caudal en determinado cauce ante la ocurrencia de una precipitación. Igualmente, si se tratase de Sistemas de Conducción de Aguas Residuales, es de esperarse que el caudal respectivo varíe en forma horaria a lo largo de un día cualquiera, en función de la utilización que las personas le dan al agua.

Aun así, es práctica común (y si se quiere conservadora) realizar el Diseño de Canales y otras Conducciones (tanto a presión como a Superficie Libre) considerando que el Régimen es Permanente, para lo cual se utiliza el Caudal Máximo Instantáneo que se determine en función del tipo de obra.

Esto simplifica enormemente las labores de diseño y análisis, al eliminar la complejidad asociada a la resolución de las Ecuaciones del Régimen No Permanente.

¿Por qué Régimen Uniforme?

Al revisar cualquier Libro de Mecánico de Fluidos o de Hidráulica de Canales, de seguro encontrarás conceptos similares a éste:

El Flujo Uniforme (y permanente) es aquél en el cual son nulas las aceleraciones locales así como las convectivas…

y, a lo mejor, resulta complejo comprender qué es lo que, en término prácticos, lo anterior implica:

En el Régimen Uniforme, la Velocidad media es invariable en la dirección del movimiento, es decir que, si pudiéramos medir velocidades en distintas progresivas del canal, encontraríamos que el valor es el mismo. Por supuesto, si la geometría transversal del canal no varía, el principio de conservación de la masa, nos llevaría a decir lo mismo respecto del caudal.

Es así que, cuando se habla del Diseño de Canales con Régimen Uniforme, debemos estar claros que se realizará considerando que no hay variación del caudal conducido a lo largo del canal, lo cual implica que, de existir distintos caudales de diseño a lo largo de éste, tendremos dos opciones:

  • Seleccionar el mayor de los caudales de diseño y establecer las propiedades geométricas a partir de éste, en cuyo caso existirán tramos del canal con capacidad de conducción en exceso.
  • Dividir, en función de la magnitud de los diferentes caudales de diseño, el canal en tramos, de forma tal que cada tramo sea dimensionado a partir del respectivo caudal de diseño. De esta forma tendríamos un canal que presentará variaciones geométricas a lo largo de su recorrido, obteniendo un diseño más ajustado a las condiciones reales.

La decisión entre estas opciones dependerá de varios factores, entre los que destaca el aspecto económico y, por supuesto, la importancia y longitud del canal.

Vale decir que, adicionalmente al Régimen Uniforme, encontraremos otros tipos de regímenes como el Gradualmente Variado, con el cual se resuelven, entre otros, problemas como la determinación del perfil de la superficie del agua en cambios moderados de la pendiente del canal o también el Régimen Rápidamente Variado, en el que se incluyen las condiciones de flujo en tramos muy cortos de canal en los que se suceden cambios súbitos de velocidades y que generan que el perfil de la superficie de agua tenga curvaturas apreciables.

¿Cómo se realiza el Diseño de Canales en Régimen Uniforme?

Por último, ya que entraremos en el detalle del Diseño de Canales en próximas entregas de este Mini-Curso de Diseño de Canales, hay que referir que el Cálculo del régimen Uniforme en canales abiertos se realizará utilizando la Ecuación de Manning:

Ecuacion-de-Manning-para-el-Diseno-de-Canales

En la cual:

Q:

Es el caudal conducido por el canal.

A:

El área transversal de la sección de flujo o Área mojada.

S:

La pendiente longitudinal, en m/m del canal.

R:

Radio hidráulico de la sección de flujo.

n:

Coeficiente de rugosidad, dependiente de las características del contorno del canal [L-1/3 T]

En la bibliografía relacionada con el Diseño de Canales podrás encontrar los valores a utilizar para el Coeficiente de Rugosidad en la Ecuación de Manning. Si pulsas aquí podrás descargar algunos valores recomendados.

En el Diseño de Canales será común encontrarnos con que el uso de la ecuación de Manning para la determinación, por ejemplo, de la altura de agua en un canal en donde son conocidos el Caudal, la Pendiente y el Coeficiente de Rugosidad (obtenido en función del revestimiento a utilizar), resulta ser algo complicado, por lo que hay que recurrir a Tablas, Gráficos o métodos numéricos para la resolución, según veremos próximamente.

En virtud de lo anterior se puede establecer que el procedimiento a seguir para el Diseño de Canales, ya sean revestidos o no, consistirá en definir, a partir de su trazado en planta, la pendiente longitudinal (S), como si de una vialidad se tratara. Luego, estableciendo un criterio para la definición de la sección transversal (sección de máxima eficiencia hidráulica, por ejemplo) establecer las dimensiones que garanticen la conducción del caudal de diseño. En realidad el procedimiento es más bien básico, sólo habrá que tomar en cuenta una serie de recomendaciones.

En la próxima parte revisaremos los Criterios Básicos del Diseño de Canales, así que si quieres mantenerte al tanto suscríbete a nuestra lista de correo para que recibas la actualización.

  1. edgar
    edgar04-24-2012

    me gusto muchoo,,

    • EditorIngCivil
      EditorIngCivil04-24-2012

      Que bien Edgar, ¡Pasa la voz!

      Saludos

  2. Claudia
    Claudia07-03-2012

    Si me gusto