CANALES
En ingenieria se denomina canal
a una construcción destinada al transporte
de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberías,
es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de
navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una
parte fundamental de la hidraulica y su diseño pertenece al campo de la ingenierira hidraulica, una de las
especialidades de la ingenieria civil.
Clasificación de canales
Canales naturales
Se denomina
canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos
tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se encuentren en la montaña
o en la planicie. Algunos canales permiten la navegación, generalmente sin
necesidad de dragado.
Canales de riego
Éstos son
vías construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren
complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno.
Canales de navegación
Un canal de
navegación es una vía de agua hecha por el hombre que normalmente conecta
lagos, ríos u océanos.
Elementos geométricos de la sección del canal
Los
elementos geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser
definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo.
Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento.
- Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre.
- Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.
- Área mojada: el área mojada (A) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo.
- Perímetro mojado: el perímetro mojado (P) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la sección transversal normal a la dirección del flujo.
- Radio hidráulico: el radio hidraulico (R) es la relación entre el área mojada y el perímetro mojado, se expresa como: R = A / P
- Profundidad hidráulica: la profundidad hidráulica (D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T
- Factor de la sección: el factor de la sección (Z), para cálculos de escurrimiento o flujo crítico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D)
El factor de la sección, para
cálculos de escurrimiento uniforme es el producto del área mojada con la potencia
2/3 del radio hidráulico, se expresa como: A. R^(2/3)
Características geométricas e hidráulicas de un
canal
Las
características geométricas son la forma de la sección transversal, sus
dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del canal.
Las
características hidráulicas son la profundidad del agua (h, en m), el perímetro mojado (P, en m), el área mojada (A, en m 2) y el radio
hidráulico (R, en m), toda
función de la forma del canal. También son relevantes la rugosidad
de las paredes del canal, que es función del material en que ha sido
construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la
línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.
Rugosidad
La rugosidad de las paredes de los canales y tuberias es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso. Los valores son determinados en mediciones tanto de laboratorio como en el campo. No es significativa, como se puede ver a continuación, la variación de este parámetro es fundamental para el cálculo hidráulico por un lado, y para el buen desempeño de las obras hidraulicas por otro.
DEFINICION DE RADIO HIDRAULICO
El radio hidráulico, es un parámetro
importante en el dimensionado de canales, tubos y otros componentes
de las obras hidraulicas, generalmente es representado
por la letra R, y expresado en m es la relación entre:
- El área mojada (A, en m²).
- El perímetro mojado (P, en m).
Es decir:
Calculo según la sección del canal
Las
expresiones que permiten su cálculo son función de la forma geométrica de la seccion transversal del canal.
En la
siguiente tabla se resumen las secciones más utilizadas con las unidades del
sistema internacional.
Canales de sección rectangular
- Área mojada:
- Perímetro mojado:
Donde:
- L = ancho de la base del canal (en m).
- h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.
Canales de sección triangular
- Área mojada:
- Perímetro mojado:
Donde: 
siendo: (α)
el ángulo del talud con la vertical.
siendo: (α)
el ángulo del talud con la vertical.
Canales de sección trapezoidal
- Área mojada:
- Perímetro mojado:
Canales de sección circular
- Área mojada:
; o expresando el ángulo en
radianes :
- Perímetro mojado:
;
o igualmente 
Donde: r = radio de la sección circular (en m);
la sección mojada limitada por la cuerda c, que sostiene el ángulo al centro Φ medido en grados sexagesimales. [α cuando se expresa en radianes]
El radio
hidráulico a sección llena es el 82,2% del radio hidráulico máximo que puede
proporcionar la sección circular.
En la fórmula del caudal 
el valor del
radio hidráulico interviene con un exponente de 2/3 (del término de velocidad
de la Fórmula de Manning), pero interviene también la
sección mojada, que depende del ángulo
, con lo que el
caudal que una sección circular es capaz de transportar a sección llena es
aproximadamente el 93% del máximo. Este valor máximo, que es un 7,5 %
mayor que el de la sección llena, se consigue cuando queda una pequeña sección
superior libre (correspondiente a 
rad
aproximadamente).
el valor del
radio hidráulico interviene con un exponente de 2/3 (del término de velocidad
de la Fórmula de Manning), pero interviene también la
sección mojada, que depende del ángulo, con lo que el
caudal que una sección circular es capaz de transportar a sección llena es
aproximadamente el 93% del máximo. Este valor máximo, que es un 7,5 %
mayor que el de la sección llena, se consigue cuando queda una pequeña sección
superior libre (correspondiente a rad
aproximadamente).
Canales de secciones especiales
Se han usado
en el pasado y se siguen usando, especialmente para canalizaciones de aguas
servidas, o canalizaciones mixtas de aguas servidas y aguas de lluvia, donde la
variación de caudales en el tiempo puede ser considerable, secciones especiales
o compuestas. En estos casos la determinación de los parámetros A, P y R se
realiza caso por caso en función de la geometría de la sección. El radio
hidráulico de un canal o ducto, generalmente representado por la letra R y expresado en m, es la relación entre:
- El área mojada (A, en m²); y,
- El perímetro mojado (P, en m)
Su
determinación es función de la forma geométrica del canal.
Canales de sección irregular
Es el caso
general para los canales naturales, pero existen también canales
construidos con secciones geométricas definidas, y que en el transcurso del
tiempo, por efecto de la erosion, se han transformado en irregulares y deben ser
tratados como tales para obtener resultados de análisis correctos.
En estos
casos se determina, durante visitas de campo, los tramos que se pueden
considerar homogéneos con buena aproximación. Después del levantamiento
topográfico y batimétrico de la sección, se divide la misma en fajas
verticales. Para cada faja vertical "i" se determina Ai,
considerándolo un triángulo, o un trapecio; y como Pi, se considera el respectivo tramo de fondo. De esta
forma el cálculo del área mojada y del perímetro mojado se hace con las
expresiones:
y
Usos del radio hidráulico
Donde: I es el gradiente hidráulico, o
perdida de carga por unidad de longitud; n es el coeficiente de Manning, v la velocidad del fluido y Rh
el radio hidráulico. Evidentemente las unidades deben ser coherentes entre si.
Fórmula de Manning
La fórmula de Manning1 es una evolución de la formula de Chezy para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos y tuberías, propuesta por el ingeniero irlandés robert Manning, en 1889:
Para algunos, es una expresión del denominado coeficiente de Chezy C utilizado en la formula de Chezy
El valor del
coeficiente es más alto cuanta más rugosidad presenta la superficie de contacto
de la corriente de agua. Algunos de los valores que se emplean de n son:
Tabla del coeficiente de rugosidad
 de Manning |
||
Material del
revestimiento
|
I. Carreteras4
|
|
Metal liso
|
0,010
|
-
|
Hormigón
|
0,013
|
1/60 - 1/75
|
Revestimiento bituminoso
|
-
|
1/65 - 1/75
|
Terreno natural en roca lisa
|
0,035
|
1/30 - 1/35
|
Terreno natural en tierra con poca vegetación
|
0,027
|
1/25 - 1/30
|
Terreno natural en
tierra con vegetación abundante
|
0,080
|
1/20 - 1/25
|
Ven Te Chow fue un profesor en el departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Illinois desde 1951 a 1981. Adquirió renombre internacional en los ámbitos de la hidrologia e hidraulica.
Tipos de flujo en un canal
Flujo permanente
Un flujo permaente es aquel en el que las propiedades fluidas
permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes nen el
espacio.Las características del flujo, como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que:
V = fv(x)
Q = fq(x)
h = fh(x)
Flujo transitorio o No permanente
Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son función del tiempo; en este caso se tiene que:
V = fv(x, t)
Q = fq(x, t)
h = fh(x, t)
Las situaciones de transitoriedad se pueden
dar tanto en el flujo subcrítico como en el supercrítico.Flujo uniforme
Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. En el tramo considerado, se las funciones arriba mencionadas asumen la forma:
V = fv(x) = Constante
Q = fq(x) = Constante
h = fh(x) = Constante
Flujo gradualmente variado
El flujo es variado: si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el flujo uniforme no permanente es poco frecuente, el término “flujo no permanente” se utilizará de aquí para adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente.El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el salto hidraulico y la caida hidraulica.
Flujo Crítico
Cuando Froude vale uno o cuando la velocidad es igual que la raíz cuadrada de la gravedad por la profundidad.
Flujo subcrítico
En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una sección determinada está condicionado al nivel de la sección aguas abajo.Flujo supercrítico
En el caso de flujo supercrítico, también denominado flujo veloz, el nivel del agua efectivo en una sección determinada está condicionado a la condicion de contorno situada aguas arriba.Flujo laminar
Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en laminas paralelas sin entremezclarse y cada particula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente.
Flujo turbulento
se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caotica, en que las particulas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente.
