Mini-Curso de Diseño de Canales Con Régimen Uniforme- Parte III: Sección de Máxima Eficiencia y Borde Libre

00 Diseno De Canales Seccion De Maxima Eficiencia Y Borde Libre

Mini-Curso de Diseño de Canales Con Régimen Uniforme- Parte III: Sección de Máxima Eficiencia y Borde Libre

Según vimos en la segunda parte de este Mini-Curso de Diseño de Canales, la relación entre las dimensiones de la sección transversal del canal, cuando aplicamos el Criterio de Sección de Máxima Eficiencia Hidráulica, están predefinidas. Es decir: no será necesario, por ejemplo, “suponer” el ancho para eliminar incógnitas de la ecuación de Manning.

Veamos la aplicación del Concepto de Máxima Eficiencia con un ejemplo. Realizaremos la definición de la Geometría de un Canal Rectangular para Drenaje de Aguas Pluviales.

El canal a diseñar estará revestido en concreto, teniendo como función proteger de las Aguas De lluvia a un sector urbano de tipo residencial.

Utilizando el Método Racional, se determinó un caudal de diseño de 1.785 l/s.

A partir de la definición de la línea de paso del Canal sobre planos topográficos, se elaboró el perfil longitudinal del terreno a fin de establecer, de forma preliminar, la pendiente mínima en su recorrido. En la siguiente figura se aprecia el perfil propuesto, del que se extrae la pendiente del 1% como valor mínimo para el diseño.

Perfil-Longitudinal-Preliminar-Canal

En este caso, dada la poca longitud del canal, se ha optado por utilizar un solo tipo de sección en toda su extensión y, por lo tanto, se toma la menor pendiente para obtener la mayor sección posible para el caudal de diseño.

En canales de mayor longitud, es recomendable definir tramos en los que se realicen diseños específicos tomando en cuenta no sólo la pendiente particular de cada tramo sino también los distintos caudales que puedan existir en ellos.

Resolución

Considerando que el Diseño se realizará bajo el criterio de sección de Máxima Eficiencia la cual, para el caso de Canales rectangulares, se establece con las condiciones de Máxima Eficiencia:

Condiciones-Geometricas-Maxima-Eficiencia-Canal-Rectangular

Podremos eliminar incógnitas en la Ecuación de Manning, para dejar todo en función de la Altura de Agua:

Resolviendo-Ecuacion-de-Manning

De donde se obtiene Y=0,559 m, con lo que el ancho del canal deberá ser:

Ancho-del-Canal

Se podría establecer, por criterios constructivos un ancho de Canal de 1,15 m

Así, tendríamos un canal que, ante el paso del caudal de 1.785 l/s, necesitará una sección mojada de 1,15 m de ancho y 0,559 m de altura.

En relación con los resultados obtenidos es bueno preguntarse lo siguiente

¿Es la Altura Calculada Suficiente para Contener al Caudal?

En principio se podría decir que, si no hay errores en la estimación del caudal de diseño, la altura determinada previamente (0,559 m) si será suficiente, pues es la que garantiza que no existirá desbordamiento del canal. De hecho, redondeando en los planos del diseño, la altura a 0,60 m para la sección de concreto del canal, garantizará que exista un borde libre adicional de 4 cm para posibles variaciones en la elevación del agua en él.

Ahora, la pregunta debería ser si el Borde Libre que estamos dejando es suficiente para absorber incrementos de la altura de agua ante factores como:

  • Imprecisión en la determinación del caudal de diseño.
  • Sobreelevación por cambios de dirección en el alineamiento horizontal del canal (en curvas, por ejemplo) o, también, por cambios de pendiente longitudinal en su recorrido (aparición de resaltos).
  • Sobreelevación por deposición de sedimentos en el fondo del canal.

[blockquote2]Como vemos, estas condiciones invariablemente generarán que la altura de agua en el canal varíe, pudiendo darse el caso que en determinados puntos de su recorrido exista rebose y desbordamiento. Para evitarlo, y dependiendo de la función del canal, se suele especificar un Borde Libre sobre la altura de agua calculada para el caudal de diseño del canal.
[/blockquote2]

Con relación al ejemplo anterior, el establecimiento del borde Libre en canales para drenaje de aguas de lluvia quizá no es del todo aplicable, pues éstos conducirán el caudal de diseño sólo ante la ocurrencia de tormentas con períodos de retorno, por lo general, mayores a los 10 años, lo cual implica que, en términos medios, el canal no operará a capacidad, no justificándose por lo tanto la inversión asociada al incremento de la altura (mayor excavación, cantidad de revestimiento, etc) con la definición de un borde libre en ellos.

Hay diversos criterios para la definición del Borde Libre, la mayoría de ellos algo divergentes entre sí. En el caso de canales conduciendo caudales de cierta envergadura se puede utilizar el criterio representado por el gráfico siguiente:


Borde-Libre-en-Canales-Bolinaga

En el cual, conocido el caudal transportado por el canal, se pueden obtener:

  • El Borde Libre Total (Curva Superior), correspondiente a la altura libre entre el nivel máximo de aguas en el canal y la berma de éste.
  • El Borde Libre hasta el revestimiento (Curva Intermedia) o altura desde el nivel máximo de aguas hasta el tope de la sección de revestimiento (normalmente los canales no se revisten hasta su parte superior, por razones de economía).
  • El Borde Libre para canales sin revestimiento (Curva Inferior), en los que se conforman los taludes hasta cierta altura, definida por la suma de la altura máxima de agua y el valor obtenido con este gráfico.

Si aplicamos el criterio dado por este gráfico al canal de nuestro ejemplo, obtendríamos que sería necesario duplicar la profundidad del canal, al obtenerse un Borde Libre Total de aproximadamente 0,55 m. Lo cual, en principio, no parece justificarse, según referimos en la nota anterior.

En todo caso es un criterio que podremos considerar en nuestros diseños y, en función a él, tomar decisiones en función del tipo de canalización.

Nuestra recomendación sería realizar el cálculo de las sobreelevaciones generadas por el caudal de diseño para cada canal en específico, es decir, utilizar los métodos de cálculo (quizá ya no del régimen uniforme) para determinar cuánto se incrementa la altura del agua ante el paso por curvas y ante el cambio de pendiente en el canal y, en función al resultado, establecer el menor borde libre necesario para ello. Éste sería el diseño más económico posible, en nuestro criterio.
  1. Veronica
    Veronica05-10-2013

    Me estoy iniciando en ingenieria sanitaria, el tutorial me ayudo mucho. Gracias

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