TTE162

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO DEPARTAMENTO DE OBRAS CIVILES Y GEOLOGÍA FACULTAD DE INGENIERÍA

DISEÑO CANAL DE RIEGO FUNDO LOS PRADOS, UBICADO EN LA REGIÓN DE LA ARAUCANÍA COMUNA DE CURACAUTIN

Por

JORGE IGNACIO VALENZUELA LUCERO

Trabajo de Título presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Temuco Para Optar al Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles, Licenciado en Ciencias de la Ingeniería - Temuco, año 2022 –

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO FACULTAD DE INGENIERÍA

COMISIÓN EXAMEN DE TÍTULO

Este Examen de Título ha sido realizado en la Facultad de ingeniería. Departamento de obras civiles y geología.

Profesor Guía:

............................................................................. Oswaldo Peña Villegas Grado académico

Profesor Informante:

........................................................................... Nombre, Apellido Grado académico

Secretaria Académica

.............................................................................

de la Escuela de Ingeniería

Nombre, Apellido

Ambiental

Grado académico

Temuco,...................................................................

DEDICATORIA

Esta tesis está dedicada a las personas más importantes para mí. A mis padres, los cuales nunca dejaron de creer en mí y siempre me brindaron su apoyo y amor incondicional en los peores y mejores momentos. Soy un agradecido de poder tener a unos padres como ustedes, Claudio e Ingrid de los cuales he aprendido los valores que hoy me forman como persona y me hacen enfrentar el mundo con coraje y perseverancia. A mis hermanas, Verónica y Josefina les dedico este trabajo con mucho cariño, ustedes serán capaces de lograr esto y más solo deber creer en ustedes. A mis amigos los cuales conocí a lo largo de esta carrera, Andrés y Juan Pablo, sin duda de las mejores amistades que me ha dejado el periodo universitario. A las personas que contribuyeron de una u otra forma durante los últimos años de carrera, algunas que ya no están, pero sin embargo dejaron de las mejores y más bonitas enseñanzas soy un creyente de que todas las cosas suceden por algo y siempre tomaré estos procesos con el cariño y valor que merecen. Por último, a mi mamá Lidia, la cual contribuyo dentro de mi formación como persona, siempre se preocupó y estuvo para mi hasta el último de sus días, hubiera deseado que vieras esto, un abrazo al cielo.

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Dr. Oswaldo J. Peña Villegas, profesor guía, por su gran ayuda y aporte en esta tesis, sin duda un profesional con dedicación, que se esmeró en ayudar en la realización de este proyecto. A los Canalistas del fundo Laguna Blanca por permitirme hacer las investigaciones correspondientes en su área de trabajo y principal fuente de abastecimiento muchas gracias por su confianza. Por último, agradecer a la Universidad Católica, profesores, directores, compañeros de carrera y a todos que me acompañaron durante el proceso académico, gracias por sus enseñanzas y valores.

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 12 1.1 PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................. 13 1.2 FINANCIAMIENTO CANALIZACIÓN.............................................................. 14 1.3 OBJETIVOS .......................................................................................................... 15 1.3.1 Objetivo general. ............................................................................................ 15 1.3.2 Objetivos Específicos. .................................................................................... 15 MARCO TEÓRICO. ..................................................................................................... 16 2.1 ESTUDIOS. ........................................................................................................... 16 2.2 BASE TEÓRICA ................................................................................................... 17 2.2.1 Elementos básicos de diseño. ......................................................................... 17 2.2.2 Análisis y determinación del eje hidráulico. .................................................. 19 2.2.3 Determinación y análisis cuantitativo del eje hidráulico................................ 22 2.3 DISEÑO DE CANALES ....................................................................................... 25 2.3.1 Rugosidad y revestimiento ............................................................................. 25 2.3.2 Velocidad de flujo .......................................................................................... 27 2.3.3 Pendiente del canal ......................................................................................... 28 2.3.4 Revancha ........................................................................................................ 29 2.3.5 Sección hidráulicamente óptima..................................................................... 29 2.3.6 Curvas y Radios de curvatura mínimos en canales ........................................ 30 2.3.7 Softwares de modelamiento ........................................................................... 31 METODOLOGIA DE INVESTIGACIÓN................................................................... 33 3.1.1 Generalidades ................................................................................................. 33 3.2 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO ................................................................ 33 3.2.1 Levantamiento topográfico Canal Fundo Los Prados .................................... 33 3.2.2 Descripción del terreno................................................................................... 34 3.2.3 Estudio de perfil longitudinal del canal. ......................................................... 35 3.2.4 Estudio perfiles transversales ......................................................................... 36

3.3 FORMULACIÓN ESTUDIO HIDROLÓGICO ................................................... 37 3.3.1 Generalidades ................................................................................................. 37 3.3.2 Análisis hidrológico........................................................................................ 37 3.3.3 Tipos de softwares .......................................................................................... 39 3.3.4 Cálculo de caudal según método .................................................................... 44 3.3.5 Estudio hidrológico del canal ......................................................................... 46 DISEÑO Y ESTUDIO. ................................................................................................. 55 4.1.1 Generalidades ................................................................................................. 55 4.1.2 Análisis en HEC RAS .................................................................................... 56 4.1.3 H CANALES .................................................................................................. 58 ANÁLISIS DEL CANAL FUNDO LOS PRADOS. .................................................... 60 5.1 Análisis hidraulico canal fundo los prados. ........................................................... 60 5.1.1 Generalidades ................................................................................................. 60 5.1.2 Análisis unifilar .............................................................................................. 63 5.1.3 Parámetros de Diseño ..................................................................................... 67 5.1.4 Análisis de los resultados obtenidos en HEC-RAS ........................................ 68 5.2 DISEÑO CANALIZACION.................................................................................. 73 5.2.1 Valores utilizados para el diseño en H CANALES ........................................ 73 5.2.2 Resultados de H CANALES .......................................................................... 74 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 77 6.1 RECOMENDACIONES........................................................................................ 79 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................... 80 ANEXOS....................................................................................................................... 81

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Perfil Longitudinal ................................................................................................. 17 Figura 2 Morfologías de Secciones Transversales ............................................................... 18 Figura 3 Tipos de pendientes................................................................................................ 19 Figura 4 Pendientes en canales ............................................................................................. 21 Figura 5 Tramo de una longitud de canal. ............................................................................ 23 Figura 6 Coeficiente de rugosidad n..................................................................................... 27 Figura 7 Sección hidráulica óptima ...................................................................................... 29 Figura 8 Radios de curvatura para canales ........................................................................... 30 Figura 9 Canal Fundo los Prados.......................................................................................... 34 Figura 10 Levantamiento Canal fundo Los Prados, sección de estudio............................... 35 Figura 11 Estaca referencia, sección canal 1.3m.................................................................. 36 Figura 12 Sección referencia 3m. ......................................................................................... 37 Figura 13 Zona de estudio canal Fundo los Prados .............................................................. 38 Figura 14 Zona de estudio, superposición IGM y Levantamiento canal.............................. 38 Figura 15 Selección de Satélite ............................................................................................ 40 Figura 16 Configuración de la georreferencia ...................................................................... 41 Figura 17 Configuración curvas de nivel ............................................................................. 42 Figura 18 Curvas de nivel generadas por Global Mapper .................................................... 42 Figura 19 Delimitación de cuenca hidrográfica mediante ArcMap 10.4.1 .......................... 44 Figura 20 Superposición carta IGM en Google Earth ........................................................ 46 Figura 21 Resultado análisis de curvas de nivel en Global Mapper..................................... 47 Figura 22 Resultado análisis cuenca Hidrográfica ............................................................... 48 Figura 23 Resultado del área en m2 ..................................................................................... 48 Figura 24 Página web de información de estaciones metereoligcas .................................... 49 Figura 25 Imagen Cuenca hidrológica estudio. .................................................................... 50 Figura 26 Georreferencia...................................................................................................... 51 Figura 27 Pantalla principal HEC-RAS ............................................................................... 56

Figura 28 Ventana ingreso parámetro caudal y pendiente ................................................... 56 Figura 29 Ventana de trazado río (Canal) ............................................................................ 57 Figura 30 Ventana ingreso puntos de levantamiento (secciones) y coeficientes ................. 57 Figura 31 Interfaz H CANALES .......................................................................................... 58 Figura 32 Cálculo Tirante normal ........................................................................................ 59 Figura 33 Cálculo de tirante Crítico ..................................................................................... 59 Figura 34 Análisis Unifilar Canal Fundo Los Prados Fuente Propia. .................................. 66 Figura 35 Construcción de sección transversal .................................................................... 67 Figura 36 Resultado de velocidades ..................................................................................... 68 Figura 37 Sección de desborde ............................................................................................. 69 Figura 38 Perfil longitudinal HEC-RAS .............................................................................. 70 Figura 39 Modelo 3D Canal ................................................................................................. 71 Figura 40 Grafico de velocidades ......................................................................................... 71 Figura 41 Resultados tirante normal..................................................................................... 74 Figura 42 Resumen de resultados tirante normal ................................................................. 75 Figura 43 Resultados tirante Crítico ..................................................................................... 75 Figura 44 Resumen de resultados tirante crítico .................................................................. 76

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Velocidades máximas .............................................................................................. 28 Tabla 2 Comparación de cuencas ......................................................................................... 50 Tabla 3 Información General Estación Rari-Ruca ............................................................... 51 Tabla 4 Ubicación................................................................................................................. 51 Tabla 5 Dirección y Contacto ............................................................................................. 52 Tabla 6 Propietario de la Estación ........................................................................................ 52 Tabla 7 Bitácora de la Estación ............................................................................................ 52 Tabla 8 Grupos de estación ................................................................................................ 52 Tabla 9 Precipitaciones mensuales por 15 años .................................................................. 53 Tabla 10 Caudales generados ............................................................................................... 61 Tabla 11 Cálculo de caudal mediante distribución............................................................... 62 Tabla 12 Detalle usuarios Diagrama Unifilar....................................................................... 64

RESUMEN

En el sector de los Prados ubicado en la comuna de Curacautín (Región de la Araucanía), se encuentra una de las principales fuentes de la agricultura de la comuna, la cual es alimentada en sus temporadas de riego por un canal, el cual abastece a los agricultores del recurso hídrico para poder regar sus diferentes tipos de cultivos (principalmente praderas, cultivo para forrajearía en esta zona y algunos de hortalizas menores). El propósito de este estudio es encontrar una mejor forma de la conducción de estas aguas, ya que en algunos tramos de este canal presenta problemas de desbordamiento lo cual produce que sectores cercanos se vean afectados, originando que sus agricultores vean algunos de sus suelos potencialmente cultivables afectados por este problema. Por lo anterior, al canal se realiza un análisis tanto a su topografía, eje hidráulico y secciones, con los que se diseñará una nueva sección que pueda subsanar los problemas existentes. De los resultados obtenidos del análisis se puede concluir que la nueva sección diseñada en material de hormigón, cumple con el transporte del caudal existente, además de esto presenta velocidades que no generaran sedimentación a lo largo del tiempo, por lo cual se espera un buen comportamiento en función del tiempo. Palabra claves: Recurso hídrico, Canal, Ley 18.450.

ABSTRACT

In the sector of the Prados located in the commune of Curacautin (La Araucanía Region), is one of the main sources of agriculture of the commune, which is fed in its irrigation season by a canal, which supplies farmers with water resources to irrigate their different types of crops (mainly meadows, forage cultivation in this area and some of minor vegetables). The purpose of this study is to find a better way to conduct these waters, since is some sections of this canal it presents overflow problems which causes nearby sectors to be affected, causing their farmers to see some of their potentially arable soils affected by this problem. Therefore, the canal is analyzed both to it topography, hydraulic axis and sections, with which a new section will be designed that can correct the existing problems. From the results obtained from the analysis it can be concluded that the new section designed in concrete material, complies with the transport of the existing flow, in addition to this it presents velocities that will not generate sedimentation over time, so a good behaviour is expected as a function of time. Key words: Water Resource, Channel, Law 18.450.

INTRODUCCIÓN

Los cauces continuamente están sometidos a procesos de erosión y desgaste, cambios de curso y desbordamiento, debido a la cantidad de caudal transportado, sin embargo, la magnitud y frecuencia de estos procesos dependen de las características pluviométricas propias de la zona junto con otros factores que se abordaron en esta investigación. Es por esto que, años de investigación, desarrollo y trabajo concluyen en realizar mejoras en la conducción de una corriente que faciliten el control de los procesos antes mencionados, creando así la posibilidad de llevar a cabo la canalización de un cauce. El canal por construir puede ser excavado o revestido, y su diseño dependerá de factores como la topografía, el tipo de suelo, velocidades de flujo y caudales a transportar. El canal existente en el sector de los prados, en períodos en los cuales las precipitaciones son más intensas, se ve sobrepasada su capacidad de conducción, provocando el desborde de las aguas, lo que ha conlleva a que los sectores aledaños a este canal tengan problemas para su aprovechamiento agrícola, afectando tanto a la agricultura de esta zona como a los mismos agricultores que viven de sus producciones tanto de hortalizas, frutícolas o praderas. Para solucionar el problema y poder habilitar el efectivo funcionamiento del canal, es necesario desarrollar un diseño eficiente, por lo cual se toma en cuenta un estudio hidrológico considerando las condiciones hidráulicas del cauce y condiciones de terreno mediante un levantamiento topográfico. Para ello situaremos la importancia del riego (de tipo superficial) ya que es la técnica de mayor uso en la aplicación de agua en la agricultura mundial, constituyendo más del 95% de la superficie regada del país, con eficiencias de aplicación que varían entre 10% y 50%. El riego por surco es una alternativa de este tipo de riego que está orientado a cultivos en hileras y huertos frutales (MATAS, 1995) El capítulo 1 presenta el planteamiento del problema, objetivos de la investigación, justificación y delimitaciones.

El capítulo 2 muestra a través de antecedentes e información recopilada el sustento teórico del desarrollo de esta investigación.

El capítulo 3 hace una revisión de la metodología empleada para poder realizar el diseño y análisis tanto hidráulico como estructural.

El capítulo 4 presenta una revisión del análisis realizado, junto al diseño hidráulico y estructural, realizados con las normativas actuales. En este capítulo se verifica si cumple con los requerimientos que establece la normativa.

El capítulo 5 presenta las conclusiones del estudio realizado.

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MOTIVACIÓN DEL ESTUDIO.

Este estudio fue realizado con el fin de mejorar las condiciones del canal fundo los prados, ya que este es el principal sustento de las familias que viven en este sector, muchos de ellos se dedican a la agricultura, producción de hortalizas y otros se dedican a la ganadería por lo que el canal es su principal fuente de abastecimiento hídrico. El objetivo será contribuir al mejoramiento de este canal, logrando que las familias puedan obtener este recurso de la manera óptima y a su vez prolongarlo durante el tiempo.

1.1

PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA.

El canal existente en el sector de Los Prados, en períodos en los cuales las precipitaciones son más intensas se ve sobrepasada su capacidad de conducción provocando el desborde de las aguas, lo que ha conllevado a que los sectores aledaños a este canal tengan problemas para su aprovechamiento agrícola. Afectando así tanto a la agricultura de esta zona como a los mismos agricultores que viven de sus producciones tanto de hortalizas, frutícolas o praderas. Además, se debe tener en consideración algunos factores que actúan en la generación de los caudales sólidos y líquidos que llegan a los cauces naturales y son transportados por ellos están relacionados con: - Características de la lluvia: Intensidad, duración, frecuencia y la distribución temporal. - Las características de la cuenca: Longitud, Área, elevación media, pendiente y uso de suelo. - Erosión pluvial: La magnitud de la erosión pluvial depende del régimen de lluvias y de la geomorfología de la hoya vertiente. - Dinámica de los cauces: La dinámica de los cauces depende netamente de su caracterización hidráulica, la cual se basa en aspectos tales como: Geometría del cauce, régimen de flujo, viscosidad del agua, capacidad de transporte de sedimentos, posibilidad de desbordes.

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1.2

FINANCIAMIENTO CANALIZACIÓN.

Desde su origen en 1985, la Ley N° 18.450, del ministerio de Agricultura, ha tenido como objetivos principales otorgar una bonificación al costo de construcción de proyectos de riego para incrementar la superficie regada del país, mejorar el abastecimiento de agua en áreas de riego deficitarias, incentivar un uso más eficiente del agua e incorporar nuevos suelos a la explotación agropecuaria, vía la solución de problemas de drenaje o facilitando la puesta en riego de suelos de secano. En año 2013, la Ley Nº 18.450 es modificada (Ley N° 20.705, del Ministerio de Agricultura) con el objetivo de poder abordar obras de riego y drenaje, integrales y de uso múltiple, cuyo costo supere las 30.000 UF con un tope máximo de 250.000 UF. Con estas nuevas disposiciones, se busca potenciar sustantivamente la actividad de las organizaciones de regantes, focalizar recursos hacia las obras integrales, recuperar la calidad de aguas para riego contaminadas, posibilitar la infiltración para la recarga de acuíferos, apoyar la agricultura sustentable, y fomentar el uso y generación de energías renovables no convencionales, entre otras iniciativas. En los últimos años, la implementación del citado cuerpo legal no ha estado exento de críticas. Al respecto, la Asociación Gremial de Riego y Drenaje (Agryd), ha señalado que la Ley se ha tornado asistencialista, con baja competitividad, con criterios poco claros de evaluación y escasa inversión privada.

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1.3

OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo general.  Diseñar el Canal Fundo Los Prados, tomando en cuenta cada una de las etapas en una obra de encauzamiento.

1.3.2 Objetivos Específicos.  Analizar los perfiles, longitudinal y transversal, mediante el levantamiento topográfico, lo que incurrirá en un análisis del terreno donde se realiza el estudio y se observe cuáles son las condiciones reales y teóricas.  Realizar estudio hidrológico para obtener los caudales de diseño, este estudio se realiza con la localización del punto de aforo, geometría de la cuenca y el análisis así de sus aportantes. El concluir esto ayudara a hacer la comparativa tanto del caudal que entra al punto de aforo, tanto como el caudal inscrito en los derechos de agua de la comunidad.  Analizar el eje hidráulico del canal con el uso del software HEC RAS, donde se podrán ver las secciones del canal y desbordes que este posee, logrando así con el paso del estudio subsanar los problemas presentados.  Diseñar las secciones, que cumplan con los requerimientos analizados se hará el diseño en el software H CANALES, el cual entregara la sección que podrá conducir el caudal de forma eficiente sin incurrir en sucesos que permiten la erosión, estancamiento o desborde de este mismo canal.

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MARCO TEÓRICO.

En el presente capítulo se pretende entregar los fundamentos y nociones básicas, para lograr comprender como realizar el diseño de un canal fundo los Prados, lo que comprenderá todas sus aristas con sus respectivas explicaciones. 2.1 ESTUDIOS. Es sabido que para el dimensionamiento de un canal se requiere disponer de antecedentes hidrológicos del terreno, del proyecto de urbanización o del entorno ya urbanizado, de manera de estimar las dimensiones principales de la obra de acuerdo con los criterios de diseño propuestos. Como antecedentes hidrológicos es necesario conocer las precipitaciones para estimar los caudales afluentes de crecidas de 2, 5, 10 y 100 años de período de retorno tanto en condiciones naturales como con la zona totalmente desarrollada. También se debe estimar los caudales base, aportados por otras fuentes y los gastos mínimos que pueden escurrir fuera de las temporadas de lluvias. En el diseño se debe considerar los antecedentes del sistema natural de drenaje en el lugar, las oportunidades de aprovechamiento del espacio destinado al cauce, la magnitud y frecuencia de los caudales generados por las aguas lluvias, y la existencia de gastos permanentes. Para decidir la conveniencia de desarrollar cauces abiertos de drenaje, es también importante considerar la descarga segura de las aguas conducidas por el canal. La factibilidad debería establecer claramente el trazado de la canalización y decidir el tipo de cauce para cada uno de los tramos, así como las cuencas aportantes en las secciones principales (MINVU, 1996) La selección definitiva del tipo de canalización y sus características se basa en una serie de factores multidisciplinarios y consideraciones, las cuales incluyen aspectos hidráulicos, estructurales, ambientales y sociológicos y económicos (MINVU, 1996)

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2.2

BASE TEÓRICA

2.2.1 Elementos básicos de diseño.

 Perfil Longitudinal. El perfil longitudinal refleja gráficamente la capacidad erosiva en sus partes principales (superior, media e inferior) a través del estudio de la pendiente que presenta. Al considerar el diseño de una obra de encauzamiento para un curso de agua hay que tomar en cuenta el perfil longitudinal (Figura 1), que presenta el cauce revisando mapas o planos topográficos existentes. Una vez que se obtuvo la información el paso siguiente es definir el trazado que tendrá el canal a cargo de la conducción de las aguas, este en si puede seguir el perfil del cauce natural o puede rectificar o desplazar dicho perfil, esto en los tramos donde el cauce se encuentre muy deteriorado y este no facilite la construcción y funcionamiento correcto de la obra misma. Para el diseño de la rasante se tendrá en cuenta la pendiente del fondo, está dentro de lo posible debe ser igual al pendiente natural promedio del terreno, si esto no es posible se debe tomar en consideración el diseño de caídas o saltos de agua.

Figura 1 Perfil Longitudinal Fuente: (Dunne y Leopold 1987)

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 Forma de la sección transversal Las secciones transversales a lo largo de un cauce natural la mayoría de los casos presentan formas bastante irregulares y asimétricas, a menudo vemos variaciones desde una parábola hasta figuras similares a los trapecios, para las corrientes que están sujetas a crecidas frecuentes, el canal puede presentar una sección principal que conduce los caudales normales y una o más secciones laterales del canal para acomodar los caudales de desborde. Por lo tanto, para definir y calcular las secciones transversales óptimas de una canalización se debe identificar y diagnosticar la situación actual de las obras existentes y las condiciones en la que encuentra el perfil transversal del cauce, además de realizar el levantamiento topográfico de estos perfiles, pudiendo decidir así lo tramos en que el canal seguirá el curso natural y en cuales no, ejemplos de morfología secciones transversales (Figura 2). El objetivo de los perfiles transversales será obtener la forma exacta de la sección de la obra y así hacer el cálculo de volumen de excavaciones o terraplenes correspondientes.

Figura 2 Morfologías de Secciones Transversales Fuente: (https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Perfiles-transversales-del-rio-Nalon-realizados-en distintos-puntos-de-su_fig2_28124812, Sánchez Jiménez Monserrat)

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2.2.2 Análisis y determinación del eje hidráulico. En canalizaciones abiertas, el análisis e interpretación del eje hidráulico generado se realiza bajo dos criterios: uno cualitativo y otro cuantitativo. Donde las variables cualitativas están: Chezy-Manning generalizado (pendiente crítica, corrientes peraltadas y deprimidas), tipos de escurrimiento, sección de control. Y las variables cuantitativas: Método de paso directo, método de paso a estándar.  Análisis cualitativo del eje hidráulico Las corrientes o escurrimientos se clasifican en ríos o torrentes, esta clasificación depende del valor de profundidad respecto de la profundidad crítica o también comparar la velocidad de escurrimiento con la velocidad crítica. En un lecho de forma, pendientes dadas y rugosidad, si se considera la profundidad normal o la profundidad que tomaría la corriente en movimiento uniforme, se compara con la profundidad crítica se puede decir que existe lechos de pendiente fuerte y pendiente suave, así son pendientes suaves los lechos que dan ríos en movimiento uniforme y pendientes fuertes, los que dan torrentes uniformes. Cabe mencionar que cualquier clase de pendiente puede escurrir en un río o un torrente fuera del movimiento uniforme (Domínguez, 1959)

Figura 3 Tipos de pendientes Fuente: (https://biblioteca.inia.cl/bitstream/handle/20.500.14001/28564/NR25844.pdf?sequence=1&isAllowed=y)

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Por lo cual debemos tener en consideración que la clasificación según escurrimiento se subdividirá en: - Río cuando: ℎ>ℎ ௖ o < ௖ - Torrente cuando: ℎ<ℎ ௖ o > ௖ - ℎ: - ℎ ௖ : - : - ௖ : A su vez el tipo de lecho se subdividirá en:

Pendiente Suave: ℎ ௡ >ℎ ௖

-

- Pendiente fuerte: ℎ ௡ <ℎ ௖ Por lo tanto, debemos recordar que la velocidad crítica se obtiene de la ecuación de Manning siendo:

௖ =ඨ ∗

Ecuación 1

Y la pendiente crítica está dada por:

ଶ ∗ ଶ

௖ =

ସ ଷ

ଶ ∗

௖

௖

Ecuación 2

La altura critica está definida por:

ଶ ଷ ඥ య

௖ =

Ecuación 3

En la ecuación 2, ௖ y ௖ están representando la sección (de escurrimiento) y el radio hidráulico en función de la altura crítica (Ecuación 3).

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Para flujos gradualmente variados, se clasificará por caso y forma que pueda adoptar el eje hidráulico, suponiendo la variabilidad de la forma del lecho, su rugosidad y la pendiente del tramo a estudiar. Por lo cual se presenta en la imagen 4 los diferentes casos de pendientes resumidos. Altura crítica: Tirante hidráulico que existe cuando el gasto es el máximo para una energía especifica determinada.

Figura 4 Pendientes en canales Fuente: (http://www.imefen.uni.edu.pe/Temas_interes/FSL/11_FGV.pdf)

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2.2.3 Determinación y análisis cuantitativo del eje hidráulico El cálculo de perfiles de flujo gradualmente variado involucra el conocer la ecuación de la curva del eje hidráulico el cual se obtiene de la integración de la expresión mostrada en la ecuación 3, para esta ecuación introducir previo a la integración de valores de , ௖ y remplazándolos por las expresiones en función de h (altura), esto llevara a simplificaciones que obligan a separarse de la realidad llegando a ecuaciones complicadas poco reales, por eso se procede con mayor exactitud al cálculo de puntos del eje hidráulico, por medio de aplicaciones escalonadas de la ecuación general de movimiento variado (Hidráulica, Domínguez, 1959) Ecuación de escurrimiento gradualmente variado:

ℎ

−

=

ଶ ∗ ∗

1−

Ecuación 4

Pendiente de energía:

ଶ ∗ ଶ

=

ସ ଷ

ଶ ∗

Ecuación 5

Donde: V: Velocidad media de escurrimiento A: Sección de Escurrimiento L: Ancho superficial i: Pendiente del fondo del canal J: Pendiente de energía, calculada en la ecuación de Manning

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Los métodos más utilizados para el cálculo de alturas del eje hidráulico son: El “método de paso directo” y el “método del paso estándar”, en general un método de paso se caracteriza por dividir el canal en tramos cortos y llevara a cabo cálculos paso a paso desde un extremo del canal hasta el otro, ambos métodos los pasos de cálculo deben realizarse hacia aguas arriba si el flujo es subcrítico y hacia aguas abajo si es supercrítico ya que los pasos de cálculo efectuados en la dirección contraria tienen inevitablemente a un resultado que diverge del perfil de flujo correcto.

Figura 5 Tramo de una longitud de canal Fuente: (Ven te Chow, 1994) En la figura 5 se ilustra el tramo de un canal de longitud ∆ . Para el “Método de paso directo” se tiene entonces: Al igualar las alturas de energía total de los extremos en sección 1 y 2:

+න ∗ ௫ଶ ௫ଵ

ଶ

ଶ

ଵ

ଶ

ଵ +ℎ ଵ +

= ଶ +ℎ ଶ +

2∗

2∗

Recordando que la energía con respecto al fondo del canal será:

ଶ 2∗

=ℎ+

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Remplazamos en la expresión la energía total:

∆ = ∗ ∆ − ௠ ∗∆

Resolviendo para ∆ :

∆ − ௠

∆ =

Ecuación 6

Por lo tanto, en una sección, se puede con la ecuación 5 calcular la distancia aguas arriba o aguas abajo, a la que se produce otra altura que también es conocida, y luego otra partiendo de esta y así sucesivamente (Hidráulica, Domínguez, 1959) Considerando que los puntos de partida serán fáciles de encontrar, ya sea por singularidades o porque existe un punto que será de movimiento uniforme o porque existe algún cambio de forma en el lecho, de rugosidad de paredes o pendientes. Otro aspecto que hay que considerar es si ∆ <0 indica que se está avanzando hacia aguas arriba y si ∆ >0 se está avanzando en dirección de aguas abajo. Si se elige para el cálculo del eje hidráulico el método de “paso estándar” este funciona haciendo los cálculos mediante paso de estación a estación en las cuales se han determinado las características hidráulicas, en tal caso la distancia de las secciones será conocida y el procedimiento consistirá en determinar la profundidad de flujo de las estaciones. Para explicar el método es necesario referir la posición de la superficie del agua con respecto al nivel de referencia horizontal, en donde la superficie del agua de ambas secciones será representada por:

ଵ =ℎ ଵ + ∗∆ + ଶ

Ecuación 7

ଶ =ℎ ଶ + ଶ

Ecuación 8

Considerando la pérdida por fricción como:

ℎ ௙ = ∗∆

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Donde la pendiente J se toma como el promedio ௠ de las pendientes en las dos secciones extremas.

ଵ + ଶ 2

௠ =

Remplazando en ℎ ௙ se obtiene:

ℎ ௙ = ௠ ∗∆

Ecuación 9

Al sustituirse las expresiones anteriores en la relación de conservación de la energía puede escribirse lo siguiente:

ଶ

ଶ

ଵ

ଶ

ଵ +

= ଶ +

+ℎ ௙

2∗

2∗

Ecuación 10

2.3

DISEÑO DE CANALES

Los canales revestidos y construidos pueden resistir la erosión de manera aceptable y satisfactoria, por lo que se consideran no erosionables. En el diseño de este tipo de canales, los factores de velocidad máxima permisible y la fuerza tractiva permisible no hacen parte del criterio que debe ser considerados, el diseñador calcula las dimensiones del canal mediante las ecuaciones de flujo y luego decide las dimensiones finales en base a la eficiencia hidráulica o reglas empíricas de sección óptima, aspectos prácticos constructivos y economía. Los factores que se consideran en el diseño son la clase de materia que conforma el cuerpo del canal, la cual determina el coeficiente de rugosidad (1); la velocidad mínima permisible para evitar la decantación si el agua mueve limos o basuras; la pendiente del fondo del canal y las pendientes lateras; el borde libre y la sección más eficiente, ya sea determinada hidráulica o empíricamente. 2.3.1 Rugosidad y revestimiento No es raro que los ingenieros piensen que un canal tiene un valor único de n (rugosidad) para todas las ocasiones. En realidad, el valor de n es muy variable y depende de un cierto número de factores. Para seleccionar este valor apropiado para diferentes condiciones de diseño, resulta muy útil tener un conocimiento básico de estos factores. Los factores que ejercen la mayor influencia sobre el coeficiente de rugosidad tanto en canales artificiales como en canales naturales se escriben más adelante. Nótese que estos factores están hasta cierto punto interrelacionados; por tanto, la discusión de uno de los factores puede repetirse en conexión con otro. (Ven te chow, 1994)

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 Rugosidad superficial, La rugosidad superficial representa por el tamaño y la forma de los granos del material que forman el perímetro mojado y que producen un efecto retardador de flujo. Por lo general este se considera como el único factor para la selección de un coeficiente de rugosidad, pero en realidad es solo uno de varios factores principales. En general, granos finos dan como resultado un valor relativamente bajo en n, y de granos gruesos, un valor alto de n.  Vegetación, la vegetación puede considerarse como una clase de rugosidad superficial, pero también reduce de manera notable la capacidad del canal y retarda el flujo. Este efecto depende por completo de la altura, la densidad, la distribución y del tipo de vegetación, y es muy importante en el diseño de pequeños canales de drenaje. Tomando en cuenta los factores de forma y material, el coeficiente de rugosidad (n), el cual es un indicador de la resistencia al flujo en un canal, será un valor bastante variable el cual a su vez puede depender de un numero de factores para poder determinarlo.  Irregularidad del canal: Comprende desde las irregularidades del perímetro mojado hasta las variaciones en la sección transversal, tamaño y forma del canal  Alineamiento del canal: En este segmento debemos considerar las curvas, para casos de curvas suaves producirán valores de rugosidad relativamente bajos en cambio para curvas bruscas con meandros severos incrementarán estos valores.  Sedimentación y socavación: En general la sedimentación puede cambiar un canal muy irregular en un canal relativamente uniforme y disminuir el coeficiente de rugosidad, en tanto que la socavación incrementara su valor.

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Figura 6 Coeficiente de rugosidad n Fuente: Ven Te Chow, 1959

2.3.2 Velocidad de flujo La velocidad del agua generalmente está limitada por los valores que producen erosión en el revestimiento (Hormigón), siendo los límites establecidos velocidad máxima 3 m/s según Ven Te Chow, Ph D. (1994), y a su vez para controlar la sedimentación las velocidades mínimas no pueden ser inferiores a 0,4 m/s. (Blázquez Prieto, 2007)

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Tabla 1 Velocidades máximas Fuente: (Hidráulica de canales de Máximo Villón Béjar)

2.3.3 Pendiente del canal La pendiente longitudinal del fondo de un canal generalmente está dada por la topografía y por la altura de energía requerida para el flujo de agua. En muchos casos, la pendiente también depende del propósito del canal por otra parte las pendientes laterales de un canal dependen principalmente de la clase de material, así como también de factores como: el método de construcción la condición de pérdida por infiltración, los cambios climáticos tamaño del canal entre otros. Además, cuando se conoce el caudal y la rugosidad, la ecuación de Manning se puede utilizar para determinar la pendiente en un canal prismático en el cual el flujo es uniforme a determinada profundidad normal de flujo yn . La pendiente determinada de esta manera algunas veces se llama específicamente pendiente normal Sn . Al variar la pendiente del canal hasta cierto valor, es posible cambiar la profundidad normal y hacer que el flujo uniforme ocurra en un estado crítico para el caudal y la rugosidad determinados. La pendiente así obtenida es la pendiente crítica Sc , y la profundad normal correspondiente es igual a la profundidad crítica. La pendiente crítica mínima para un canal de forma y rugosidad determinadas se conoce como pendiente límite SL . Además, al ajustar la pendiente y el caudal puede obtenerse un flujo uniforme crítico a determinada profundidad normal. La pendiente así obtenida se conoce como pendiente crítica a determinada por la profundidad normal Scn . (Ven te chow, 1994)

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2.3.4 Revancha No existe una regla universalmente aceptada para el cálculo de borde libre, debido a que la acción de las ondas o las fluctuaciones en la superficie del agua en un canal puede crearse por caucas incontrolables. Ondas pronunciadas y fluctuaciones en la superficie se esperan en canales donde la velocidad es muy alta y la pendiente muy empinada, de tal manera que es el flujo se vuelve inestable, o en curvas donde la alta velocidad y el ángulo de deflexión puede causar superficies de agua con súper elevaciones en el lado convexo de la curva o en canales donde la velocidad de flujo se aproxima al estado crítico (Ven te chow,1994) La revancha para utilizar generalmente es el 15% de la altura de escurrimiento considerando como mínimo 20cm, lo que corresponde a lo normalmente utilizado en diseño de canales. 2.3.5 Sección hidráulicamente óptima Se conoce que la conductividad de una sección de canal se incrementa con el aumento en el radio hidráulico o la disminución en el perímetro mojado. Desde un punto de vista hidráulico, por consiguiente, la sección de canal que tenga el menor perímetro mojado para un área determinada tiene la máxima conductividad; tal sección se conoce como sección hidráulica óptima. Por lo cual se presentan los elementos geométricos para seis secciones hidráulicas óptimas en la figura 7, estas secciones son prácticas para su construcción. Por lo que la sección hidráulica optima es la sección que da el área mínima excavación, esto ocurre solo si el nivel de agua llega hasta el tope de las bancas. En caso contrario para canales donde no se llegue al tope, la sección hidráulica óptima será la excavación mínima, y para el caso que fluya encima de las bancas los terrenos más anchos darán una excavación mínima.

Figura 7 Sección hidráulica óptima Fuente: (Hidráulica de canales, Ven Te Chow)

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2.3.6 Curvas y Radios de curvatura mínimos en canales Los niveles de agua, cuando se presentan curvas en canales, tienden a variar por efecto de la sobreelevación, con respecto al nivel medio del agua, que la fuerza centrífuga genera en la parte exterior de la curva mientras que en su parte interior aparece una depresión en el nivel del agua. Todo esto apartando los flujos secundarios que se generan por efecto de estas curvas que, con seguridad generaran perturbaciones hasta una longitud determinada aguas debajo de ellas. El inconveniente con estos cambios de elevación generados por las curvas en canales, pueden ir desde socavaciones o deposiciones excesivas en estos puntos, si se habla de canales no revestidos, hasta perturbaciones de estructuras hidráulicas, como compuertas vertederos, ubicadas aguas debajo de estas curvas. Igualmente, no se pueden perder de vista la posibilidad de desbordamiento del canal, por falta del adecuado borde libre. Por lo tanto, para los efectos de diseño de Canales, es importante en extremo reducir al mínimo el número de curvas o cambios de dirección en el alineamiento del canal. Por supuesto que los cambios de dirección serán inevitables en canales de cierta longitud, así se hayan minimizado al máximo las curvas en el canal, en cuyo caso es necesario contar con las expresiones o valores recomendados para la estimación de la sobrelevación generada por curvas de determinado radio, así como los radios mínimos que debe utilizarse para el diseño, de forma tal de garantizar las condiciones “uniformes” del flujo en canales.

Figura 8 Radios de curvatura para canales Fuente: (E. Blair. F. “Manual de procedimientos de pequeños sistemas de riego”) Hasta los más específicos, en los cuales se establecen las siguientes expresiones en función del régimen de flujo. - Subcrítico : ௠௜௡ =3∗ - Supercrítico : ௠௜௡ = ସ∗௏ మ ∗஻ ௚∗௬ Dónde: V: Velocidad media en el canal (m/s) B: Ancho del canal (m) Y: Profundidad del flujo (m)

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2.3.7 Softwares de modelamiento

- HEC RAS El software empleado fue desarrollado por el centro de ingeniería hidrológica ( Hydrologic Engineering Center ) del cuerpo de ingenieros de la armada de los E.E.U.U. El programa modela de hidráulica de escurrimientos de cauce abierto bajo el supuesto de escurrimiento unidimensional, tanto en regímenes de rio como de torrente. Este modelo de libre acceso ha sido usado y validado en diversos estudios. El programa de modelación contiene diferentes opciones para análisis hidráulicos unidimensionales, estas son: - Cálculos de perfiles hidráulicos en flujos permanentes - Simulaciones de flujo no permanentes - Cálculos de transporte de sedimento en fondo y paredes erosionables Estos puntos utilizan una misma representación geométrica de datos y con grandes similitudes en el cálculo geométrico e hidráulico. El objetivo de HEC-RAS es calcular alturas de agua en todas las localidades de interés para determinados caudales. Los datos necesarios para realizar el proceso esta denotado por: - Datos Geométricos - Datos de Flujo El programa basa sus cálculos a partir de una sección transversal con condiciones iniciales conocidas o supuestas y siguen aguas arriba para flujo sub-crítico o aguas abajo para flujo supercrítico, en casos donde el régimen de flujo cambia de sub-crítico a supercrítico (a su vez lo inverso), el usuario debe ejecutar el programa en modo de régimen de flujo mixto. Si el flujo es de régimen sub-crítico (río) se requieren condiciones de borde en la última sección de aguas abajo y para régimen supercrítico (torrente) se requieren condiciones de borde en la primera sección de aguas arriba y si se usa régimen mixto, HEC-RAS necesita ambas condiciones de borde. - H CANALES Este software es utilizado para el diseño de canales y estructuras hidráulica, el sistema en sí permite resolver problemas más frecuentes que presentan en el diseño de canales y estructuras hidráulicas, los cuales son: - Calcular el tirante normal - Calcular el tirante crítico - Calcular el resalto hidráulico Calcular el caudal que transporta un canal construido para las secciones transversales artificiales de uso común tales como:

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- - - - -

Sección triangular Sección rectangular Sección trapezoidal Sección parabólica

Sección circular La solución a estos problemas requiere de cálculos mediante el uso de métodos numéricos como: - Método de Newton-Raphson - Método de la secante - Método de la secante modificada - Integración gráfica

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METODOLOGIA DE INVESTIGACIÓN

3.1.1 Generalidades La investigación tiene un diseño no experimental, puesto que se basa en el análisis de un canal existente del cual se obtendrán los datos y se estudiarán posteriormente. El tipo de investigación es de campo y el nivel descriptivo, pues se recolectará información real del canal en un lugar determinado, tal como se presentaron en el momento de la recolección. Como sabemos es necesario reunir la información existente del canal mediante a reuniones periódicas con el presidente de la asociación de canalistas don Carlos Tapia el cual accedió a realizar el levantamiento topográfico, entrega de documentos y además colaboración para visitar a los usuarios y así poder realizar el perfil unifilar. 3.2 LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO La topografía es buen conocida como la ciencia encargada de estudiar y representar de manera gráfica la superficie de la tierra, sus formas y detalles, es por esto que el procedimiento y el uso de estación topográfica hace finalizar su representación en un plano al cual comúnmente se llama “levantamiento”. El planteamiento del levantamiento topográfico en primera instancia se divide en: - Determinar posición de uno más puntos en el plano horizontal. - Medir las distancias y los ángulos horizontales. - Determinar las cotas y alturas en uno o más puntos. La metodología para determinar cotas y desniveles consiste en medir directamente distancias verticales, lo que se conoce como nivelación directa, geométrica o por alturas, en una nivelación la superficie de referencia que se adopta es la del nivel medio del mar y en casos justificados se puede permitir otra. 3.2.1 Levantamiento topográfico Canal Fundo Los Prados Dentro de los estudios que son necesarios para poder realizar el diseño de un canal (canalización) se debe tener en cuenta la representación gráfica de este levantamiento, esto partiendo desde su base. La representación gráfica del corte que produce en el terreno el plano vertical que contiene el eje de una obra lineal. En este perfil se relaciona altimétricamente la rasante o línea teórica que se quiere conseguir con la traza o línea real del terreno. Definiendo así el perfil longitudinal el reflejo de las diferencias aritméticas de un itinerario o de dos puntos en concreto, reflejando así en la planimetría las distintas pendientes y distancias parciales y a origen de la traza (trayecto).

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