Conceptos y elementos de un canal

El presente artículo habla de los conceptos y elementos de un canal, basado en estudios bibliográficos y en la experiencia personal del autor tiene sobre la temática, después del aire que respiramos, el agua es el elemento más esencial para el hombre. Sin el agua, la vida animal o vegetal sería imposible. También es un medio eficiente de transferencia de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce.

Desde hace por lo menos 5000 años el hombre ha inventado y construido obras para el aprovechamiento del agua; entre las más antiguas están los CANALES, usados para llevar el agua de un lugar a otro.

Definición

Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso. (Figura 1.1).

Figura 1.1. Flujo en conductos.

Clasificación de los canales

De acuerdo con su origen los canales se clasifican en:

a) Canales naturales:

Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variable durante su recorrido (Fig.1.2a, b y c), lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los lechos.

Figura 1.2a Sección transversal irregular.

Figura 1.2b. Sección transversal irregular.

Figura 1.2c. Sección transversal irregular río “Matamba”, Cuicatlan.

b) Canales artificiales:

Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio.

Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más comunes son las siguientes:

Sección trapezoidal:

Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos.

Sección rectangular:

Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.

Sección triangular:

Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras.

Sección parabólica:

Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. (Fig.1.3, 1.4 y 1.4.a).

SECCIONES CERRADAS

• Sección circular: El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano.
• Sección parabólica: Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.

Fig. 1.4 a canal artificial de Secciones transversales trapecial.

La selección de la forma determinada de la sección transversal, depende del tipo de canal por construir; así, la trapecial es muy común en canales revestidos, la rectangular en canales revestidos con material estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la circular en alcantarillas, colectores y túneles. Existen secciones compuestas como las anteriores que encuentran utilidad en la rectificación de un río que atraviesa una ciudad.

Canales de riego por su función

Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:

• Canal de primer orden.– Llamado también canal principal o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos (cerros).

• Canal de segundo orden.– Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.

• Canal de tercer orden.– Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomas granjas.

Elementos geométricos de los canales:

Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy  importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra en la fig.1.5.

Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes.

• Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.
• Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m.
• Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material (Θ) , es decir   m=x/d y depende del tipo de material en que se construya  el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1).
  Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1.
• Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material en que se aloje el canal (ver Tabla 2).
• Pendiente (S) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal.
• Área hidráulica (A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m².
• Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m.
• Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P, en m.
• Ancho de la superficial o espejo del agua (T): es el ancho de la superficie libre del agua, expresado en m.
• Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua . dm=A/T,  se expresa m.
• Libre bordo (Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la corona del bordo, se expresa en m.
• Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad de tiempo, y se expresa en m³/s.
• Velocidad media (V) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s.

Factor de sección para el cálculo de flujo crítico:

Es el producto del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.

Tabla 1. Taludes apropiados para distinto tipos de materiales en el diseño de canales.

Material	Talud	Valor de
Roca ligeramente alterada	0.25:1	75º 58’
Mampostería	0.4:1  y  0.75:1	68º 12’
Roca sana y tepetate duro	1:1	45º
Concreto	1:1 ó 1.25:1	45º y 38º 40’
Tierra arcillosa, arenisca, tepetate blando	1.5:1	33º
Material poco estable, arena, tierra arenisca.	2:1	26º

Tabla 2. Valores del coeficiente de rugosidad de Manning  para ser aplicado en su ecuación.

Tipo de Material	Valores
	Mínimo	Normal	Máximo
Roca  (con saliente y sinuosa)	0.035	0.040	0.050
Tepetate (liso y uniforme)	0.025	0.035	0.040
Tierra	0.017	0.020	0.025
Mampostería seca	0.025	0.030	0.033
concreto	0.013	0.017	0.020
Polietileno (PVC)	0.007	0.008	0.009

 

Información adicional
Escrito por: Pedro Rodríguez Ruiz