HIDRÁULICA APLICADA 

Los sistemas hidráulicos destinados a la conducción de agua se deben diseñar con las consideraciones que correspondan al área de estudio. Hay distintos factores que se consideran en el diseño de canales, como: el caudal de diseño, características geométricas de la sección, la topografía, la geología y geotecnia de la zona, materiales de revestimiento y la topografía existente. Además, el análisis de los datos hidrológicos de la zona que permite establecer la frecuencia, duración y severidad de las precipitaciones (Chow, 2004).

Velocidad mínima y máxima permisible 

La velocidad mínima permisible es la que básicamente no permite sedimentación. Este valor es muy variable, según sean sus factores de diseño. Sin embargo, se estima que 0.8 m/s es la velocidad estándar apropiada que no permite sedimentación e impide el crecimiento de plantas en los canales (Sviatoslav, 1987). 

Para las velocidades máximas permisibles, la U.S. Bureau of Reclamation, recomienda que, para el caso de canales de concreto, las velocidades no deben exceder de 7.4 m/s para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante y no se produzca turbulencias que originen perturbaciones y no puedan cumplir con su objetivo (Chow, 2004). 

La siguiente tabla nos da valores sugeridos:

Área mínima de diseño 

El diseño de un canal requiere de una serie de cálculos a partir de una sección transversal, la cual como mínimo debería tener un índice resultante de calcular la Ecuación 4 (Chow, 2004).

Rugosidad 

Esta depende del cauce y el talud, por las paredes laterales, vegetación, trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal (Chow, 2004). Para canales con revestimiento, la rugosidad está en función del material usado. La siguiente tabla nos da valores de coeficiente de rugosidad de Manning (n) estimados:

Talud 

Es la inclinación de las paredes laterales de un canal. Esta depende de varios factores, pero especialmente del tipo de terreno donde están alojados. A continuación, se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material:

Borde libre 

Es la altura entre la cota mayor del canal y la superficie del agua. La U.S. Bureau of Reclamation recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula (Chow, 2004):

Según investigaciones anteriores, recogidas por el Ministerio de Agricultura, se recomiendan los siguientes valores en función al caudal (Tabla 8) y en función al ancho de la base del canal (Tabla 9).

Radios mínimos en canales 

Para el diseño de canales, un cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio debe regirse por un mínimo. Si se trazan curvas con radios mayores al mínimo no será hidráulicamente más eficiente; en adición, será más costoso al tener que darle una mayor longitud (Ministerio de agricultura y Alimentación, 1978).

Diseño de la sección transversal 

Habiendo conocido los parámetros de caudal de diseño, velocidad máxima y área mínima, se deberán realizar los cálculos respectivos para encontrar el diseño óptimo del canal (Chow, 2004). 

Para ello, se plantean los siguientes pasos (Baltodano & Morales, 2015): 

→ Seleccionar el área, el cual debe ser igual o mayor al área mínima de diseño. 

→ Determinación de las bases y taludes de la sección según las condiciones de terreno. 

→ Cálculo de los parámetros de tirante del canal, superficie libre, talud y radio hidráulico. → Asignación de la pendiente hidráulica del canal, y determinación del coeficiente de rugosidad de Manning (n). 

→ Cálculo de la velocidad que conduce el canal.

→ Si el diseño no cumple con las especificaciones técnicas, se debe iterar las veces posibles hasta encontrar el diseño óptimo.

 

La fórmula de Manning, propuesta por el ingeniero irlandés Robert Manning en 1889, es una evolución de la fórmula de Chezy, que servía para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos y tuberías (Chow, 2004).

Obtenido el caudal, y por consiguiente la velocidad, se verifica si el canal cumple con lo siguiente:

→ La velocidad de flujo del canal sea menor que la velocidad máxima permitida según las características del canal diseñado: 𝑉𝑐 ≤ 𝑉𝑚𝑎𝑥 

De no ser así, se deberá realizar un nuevo diseño.