modelos de cunetas para sistema de drenaje
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MODELOS DE CUNETAS PARA SISTEMA DE DRENAJE
DISEÑO HIDRÁULICO DE CUNETAS
I.OBJETIVOS:
-OBJETIVOS GENERALES:
Conocer, identificar y definir las condiciones hidráulicas para el diseño.
-OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Conocer el tipo de sección más eficiente para el transporte del caudal.
Diseñar las secciones hidráulicas del canal de tal manera que cumpla con todas las condiciones necesarias para su funcionamiento eficiente.
2. CONSIDERACIONES GENERALES
El diseño hidráulico de cunetas consiste en realizar el dimensionamiento y la forma geométrica del canal en función al caudal que transporta de acuerdo a la demanda de agua requerida por el sistema de drenaje
El diseño comprende la ingeniería de trazo: alineamiento, pendiente de fondo, secciones transversales, así como la forma y dimensiones de la sección del canal, su revestimiento y la determinación de las características hidráulicas como la velocidad y el tirante que permiten establecer el régimen del flujo de agua en las cunetas.
El diseño hidráulico trata principalmente al cálculo del tirante normal que es el que corresponde para cada descarga en una canal con pendiente de fondo, sección, sección transversal y rugosidad de paredes establecidas.
2.2. CONDICIONES HIDRÁULICAS Y NO HIDRÁULICAS PARA EL DISEÑO
2.2.1. Condiciones Hidráulicas:
a. Por el tipo de flujo
Dónde:
V: velocidad (m/s)
g: aceleración de la gravedad (m/s2)
A: Área Hidráulica (m2)
T: Espejo de agua (m)
Para: F>1; Flujo súper critico
F=1; Flujo critico
F<1; Flujo sub critico (recomendado)
Condiciones de diseño
Máxima eficiencia hidráulica
Mínima infiltración
Máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración
2.2.2. Condiciones no Hidráulicas:
a. Topografía del eje de ruta de las cunetas.
Nos muestra el relieve uniforme o quebrado del suelo a lo largo del eje de la cuneta, según esto se determina la pendiente.
b. Geología.
Ofrece información sobre la conformación del suelo donde se alojara la caja de la cuneta, nos ayudara a determinar el talud de la caja y el coeficiente de Manning para canales sin revestir.
c. Condiciones ambientales.
Principalmente se considera en el diseño de las cunetas la temperatura y sus variaciones. Influye en el fraguado del concreto para cuneta revestido.
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d. Hidrología e hidrografía.
Nos permite conocer las láminas de precipitación, así como su distribución temporal durante el año. Facilita el diseño de cunetas de drenaje en la berma interna.
Nos proporciona la ubicación de los cauces naturales que cruza la cuneta y facilita la ubicación o distanciamiento entre aliviaderos laterales en las cunetas principales.
e. Hidrogeología.
Nos ofrece información de los niveles freáticos o superficie piezométrica, de tal manera de poder diseñar detalles especiales de drenaje en la caja de la cuneta (lloradores), da suma importancia para cunetas revestidos con concreto, ya que los efectos de sub presión sobre el revestimiento resultan perjudiciales para la estabilidad de los taludes, sobre todo cuando la cuneta esta vacío.
2.3. SECCIÓN HIDRÁULICA DEL CANAL
2.3.1. Tipos de Sección Hidráulica
3.- CLASIFICACIÓN DE LAS CUNETAS: Las cunetas usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticas), 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.
a.- Sección trapezoidal.
Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos.
b.- 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.
3.3 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.
3.4 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.
Sección trapezoidal. Sección rectangular.
4. Componentes de un Canal.
a. Elementos Geométricos b. Elementos Hidráulicos
b: Base menor y: Tirante
B: Base mayor f: Borde libre
H: Altura del talud T: Tirante superficial
z: Talud de la caja del canal
C: Berma interna
D: Berma externa
4.1. PENDIENTE O RASANTE DE UNA CUNETA DE DRENAJE
La pendiente de una cuneta es uno de los factores más importantes para el diseño; su elección de la topografía y del aprovechamiento económico que se deriva de la condición del agua.
Es la alineación del fondo de la cuneta a lo largo de su recorrido, puede ser uniforme o varear por tramos.
Sección parabólica:Sección triangular:
Está en función de la topografía del terreno que sigue el eje del trazo y según el tipo del canal, sea principal o secundario.
4.2. TALUD DE UNA CUNETA
El talud (z) representa el grado de inclinación de los lados que forman la caja del canal con respecto a la horizontal. Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la parte lateral del canal.
4.3. ELECCIÓN DEL TALUD DE UNA CUNETA.
a).Por Limitación Topográfica
Cuando el eje de trazo por ruta que sigue un canal atraviesa una zona topográficamente accidentada (ladera empeñada), esta se convierte en una limitante para la selección del talud, ya que obliga a reducir el ancho de corte de plataforma para disminuir volúmenes excesivos de corte y garantizar la estabilidad del talud superior, por lo tanto el ancho superficial de la caja del canal tiene que disminuir llegando al límite de que la inclinación sea nula y las paredes del canal sean vertical (canal de sección rectangular).
b).Por Estabilidad del Suelo
Cuando los suelos en los cuales se alojan la caja del canal son de diferentes texturas puede ser arcillosos, arenoso, rocoso, etc. que es un factor condicionante para seleccionar el talud del canal. En estos casos el talud del canal tendrá la inclinación necesaria que garantice su estabilidad durante el tiempo de servicio del canal.
4.4. RUGOSIDAD DE LA CAJA DE LA CUNETA
Es la resistencia al flujo del agua, que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la geología del cauce en los conductos naturales; se relaciona principalmente a las condiciones y al estado de conservación de los revestimientos. El coeficiente de rugosidad depende del material, de su acabado y de su deterioro con el tiempo.
La rugosidad depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad.
4.5. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
a. Para cunetas Revestido con Concreto:
Concreto liso 0.013
Concreto bien acabado, usado 0.014
Concreto frotachado 0.015
Concreto sin terminar 0.017
b. Para cunetas sin Revestir
En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendidos entre 0.025 y 0.030.
c. Para Cauces Naturales
El valor de “n” es muy variable dependiendo generalmente del tipo y tamaño del material que conforman el lecho del cauce así como también del tipo y tamaño del tipo y densidad de vegetación existente en el cauce. En nuestras zonas generalmente los valores de “n” están 0.060 – 0.070.
5. DISEÑO HIDRÁULICO DE LA CUNETA
El diseño de un canal trata de la determinación de su forma y de sus dimensiones, de establecer la necesidad o no de su revestimiento y en este último caso su tipo, así como verificar las condiciones hidráulicas del flujo.
Para el diseño de canales se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc
5.1. EL TIRANTE DE AGUA (y)
6. CRITERIOS PARA EL CÁLCULO DEL TIRANTE DE AGUA
Los criterios que debe usar el ingeniero proyectista deben ser los óptimos, teniendo en cuenta todos los factores de agua y suelo, y del área al cual abastecerá con agua dicho cuneta
Se necesita conocer:
La sección de máxima eficiencia hidráulica
La sección de mínima infiltración
La sección de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración
Dónde:H: Altura de la cunetay: tirante
7. SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA
Es aquella que teniendo menor área hidráulica, permite descargar el máximo caudal. Dicho de otro modo, es aquella sección que la corresponde el mínimo perímetro mojado.
Fundamentalmente se utiliza para canales revestidos pues minimiza el volumen de revestimiento.
Relación base – tiranteby
=2tg (θ2 )
8. SECCIÓN DE MÍNIMA INFILTRACIÓN
Si una cuneta está trazada sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por filtración.
Relación base – tirante
Se muestra un cuadro de la relación o base - tirante para secciones de mínima infiltración para diferentes taludes.
9. SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA Y MÍNIMA INFILTRACION
by=4 tg ( θ2 )
Son las secciones cuyo diseño tiene la finalidad de que la cuneta transporte el caudal máximo y tenga una mínima pérdida de infiltración, estos diseños se realizan para cunetas sin revestimiento o sea en cunetas de tierra, esta sección viene a ser el promedio de M.E.H y mínima infiltración.
La relación base – tirante sería.
10 .VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE DEL AGUA EN CANALES DE RIEGO
La determinación de la velocidad del agua en una cuneta es fundamentalmente para evitar dos problemas que afectarían el normal funcionamiento de la cuneta y de no tenerse en cuenta, hasta provocarían el colapso del mismo, estos son:
• La erosión
• La sedimentación
En canales sin revestimiento las velocidades, tanto mínima como máxima están en un rango de:
0.63 m/s - 0.96 m/s.
11. DISEÑO DE LA SECCIÓN HIDRÁULICADE UNA CUNETA
Está basado en la determinación de las medidas geométricas e hidráulicas De la Cuneta . Las medidas geométricas trabajables para el diseño serán medidas constructivas.
El diseño de secciones hidráulicas más usadas son la rectangular y trapezoidal que son cunetas que deben tener las condiciones de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración si son sin revestir o sección de máximas eficiencia hidráulica para cunetas revestidos.
Para realizar el diseño de la sección de la cuneta es necesario tener como datos:
• El talud (Z)
• El coeficiente de rugosidad (n)
• Caudal de diseño (Q)
• Pendiente (S).
12. EMPLEO DEL PROGRAMA ´´H CANALES´´, EN EL DISEÑO DE SECCIONES HIDRÁULICAS.
by=3 tg ( θ2 )
12. REVESTIMIENTO DE LA CAJA DE LA CUNETA. TIPOS.
13. USO DE CONCRETO EN EL REVESTIMIENTO DE CUNETAS.
En las pérdidas por infiltración de agua que puede darse a través de suelos no cohesivos generalmente se utilizan revestimientos con concreto simple de f’c=100kg/cm² o f’c=140kg/cm² dependiendo del espesor del revestimiento, el mismo que está en función de las dimensiones geométricas de la caja de la cuneta.
CONCLUSIONES:
REVESTIMIENTO DE PIEDRA EMBOQUILLADA Y
CANTEADA
REVESTIMIENTO DE CONCRETO
El revestimiento de una cuneta no tiene ninguna función estructural, sino que solo impermeabiliza la cuneta para que la perdida por infiltración sea pequeña
Las secciones más utilizadas para el diseño de canales son las rectangulares y trapezoidales.
Para evitar la erosión y la sedimentación de la caja de la cuneta, se debe hacer un buen cálculo de la velocidad del agua.
El programa HCANALES es una herramienta fundamental y de gran ayuda en el diseño de secciones hidráulicas, por la rapidez con que se obtienen los resultados.
RECOMENDACIONES:
Para la elección del valor del talud de forma práctica, se recomienda un valor de 1 para cunetas revestidos y 1.5 para cunetas sin revestir.
Se deben considerar conscientemente todas las condiciones hidráulicas y no hidráulicas para el diseño de una cuneta de drenaje.
Se recomienda usar el software por la rapidez de los resultados.
Para una mayor duración y efectividad de las compuertas se recomienda capacitar a los usuarios sobre el manejo y mantenimiento de dichas estructuras metálicas.
BIBLIOGRAFÍA:
VILLON BÉJAR, MÁXIMO.(1981) “Hidráulica de Canales”, Lima, Editorial Hozlo, 487 p.
FRANCISCO CORONADO DEL AGUILA, “Diseño y construcción de canales”