diseño canal con civil cad

“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA,

DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN”

Subsecretaría de Desarrollo RuralDirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural”

DISEÑO HIDRÁULICODE UN CANAL DE LLAMADA

2

DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

1. INTRODUCCIÓN

Los canales de llamada son estructuras para la

captación de agua de escorrentía, los cuales se

excavan de manera transversal a una ladera

natural, con diversas dimensiones para alimentar

a un jagüey u olla de agua. Es decir, en obras de

captación que carecen de una cuenca aportadora

bien definida o suficiente para abastecer las

demandas de agua.

Estas estructuras, tienen por objeto conducir los

escurrimientos superficiales de las laderas

naturales a fin de incrementar la capacidad de

almacenamiento de un depósito. Tiene la ventaja

adicional de servir como brecha cortafuego y

disminuir los efectos de la erosión hídrica.

2. OBJETIVO

El presente documento tiene como objetivo fijar

criterios técnicos, que sirvan como guía de

diseño de canales de llamada, así como

establecer los requisitos mínimos de seguridad

que deben cubrirse para su correcto

funcionamiento.

3. HIDROLOGÍA

Con la información de intensidades de lluvia y los

datos topográficos del terreno, se determina la

capacidad del canal para conducir

adecuadamente el gasto máximo de diseño. Éste

canal deberá ser capaz de encauzar la

escorrentía máxima, aportada por ladera

receptora, que pueda ocurrir en un tiempo

determinado (Figura 1).

Figura 1. Diagrama de ubicación del canal de llamada.

El volumen de agua que deberá recibir un canal

de llamada depende de diversos factores:

La máxima intensidad de lluvia que pueda

ocurrir en un periodo y tiempo

determinados.

Características de la zona vertiente, tales

como la pendiente, la cubierta vegetal

existente en el área, el suelo y sus

características de textura e infiltración, entre

otras.

Extensión de la ladera, variable que está

directamente asociada al área aportadora

de escorrentía superficial al canal.

Para la determinación del gasto máximo de

diseño del canal, se recomienda emplear el

método racional.

Zona EstableZona

erosionada

Canal de desviación

Quebrada

LArea deImpluvio

Zona de evacuacióndel canal

L : Distancia mas lejana de el área de impluvio al canal

3

3.1 CÁLCULO DEL GASTO MÁXIMO POR EL

MÉTODO RACIONAL

Este método asume que el máximo porcentaje

de escurrimiento de una cuenca pequeña ocurre

cuando la totalidad de tal cuenca está

contribuyendo al escurrimiento, y que el citado

porcentaje de escurrimiento es igual a un

porcentaje de la intensidad de lluvia promedio;

lo anterior se expresa mediante la siguiente

expresión:

Donde:

= gasto máximo, m3/s.

C = coeficiente de escurrimiento,

adimensional (Anexo 1).

I = intensidad máxima de lluvia para un período

de retorno dado, mm/h.

= área de la cuenca, ha.

360 = factor de ajuste de unidades.

Es el gasto máximo posible que puede

producirse con una lluvia de intensidad

en una cuenca de área y coeficiente de

escurrimiento C que expresa la fracción

de la lluvia que escurre en forma directa.

Período de retorno (T)

Período de retorno es uno de los parámetros

más significativos a ser tomado en cuenta en el

momento de dimensionar una obra hidráulica

destinada a soportar avenidas.

El período de retorno se define como el intervalo

de recurrencia (T), al lapso promedio en años

entre la ocurrencia de un evento igual o mayor a

una magnitud dada.

Debido a la gran variabilidad que sufren las

precipitaciones de un año a otro, se recomienda

dimensionar éste tipo de obras para un periodo

de retorno de 10 años.

Intensidad máxima de lluvia (I)

Las curvas intensidad-duración-frecuencia (IDF)

son básicas en todo análisis hidrológico para la

estimación de avenidas máximas por métodos

empíricos e hidrológicos (Figura 2). En la

actualidad ya se cuenta con las curvas IDF de

todo el país editadas por la Secretaría de

Comunicaciones y Transportes (SCT), y se

encuentran disponibles en su portal de internet1.

Figura 2. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF)

1 http://dgst.sct.gob.mx/fileadmin/Isoyetas/

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000

INTE

NSI

DA

D (

mm

/h)

DURACIÓN DE LA LLUVIA (minutos)

2 T

5 T

10 T

25 T

50 T

100T500T

4

Para poder hacer uso de las curvas IDF es

necesario conocer el tiempo de concentración de

la lluvia. Este tiempo se define como el intervalo

que pasa desde el final de la lluvia neta hasta el

final de la escorrentía directa. Representa el

tiempo que tarda en llegar, al aforo, la última

gota de lluvia que cae en el extremo más alejado

de la cuenca y que circula por escorrentía

directa. Por lo tanto, el tiempo de concentración

sería el tiempo de equilibrio o duración necesaria

para que con una intensidad de escorrentía

constante se alcance el caudal máximo.

El tiempo de concentración se calcula mediante

la ecuación:

Donde:

= tiempo de concentración, h

Lc = longitud del cauce principal de la cuenca, m

v = velocidad media del agua en el cauce

principal, m/s

Otra manera de estimar el tiempo de

concentración es mediante la fórmula de Kirpich:

Donde:

= tiempo de concentración, h.

Hc = Desnivel en m, desde la salida hasta el

punto más lejano en m.

Lc = longitud del cauce principal, m.

4. GENERALIDADES

4.1 CONCEPTOS BÁSICOS

Velocidad mínima. El diseño de canales,

recubiertos o no, que conducen agua con

material fino en suspensión, debe considerar que

la velocidad media del flujo, para el caudal

mínimo de operación, sea mayor o igual que la

necesaria para evitar la sedimentación del

material transportado.

Velocidad máxima. La velocidad máxima de

operación en canales, con o sin recubrimiento de

superficie dura, que conducen agua limpia o

material en suspensión debe limitarse para evitar

el socavación o erosión continua del fondo y

paredes por turbulencia, abrasión o

eventualmente cavitación.

Taludes. Se refiere a la inclinación que poseen

las paredes laterales del canal y las cuales se

expresan en forma de proporción. La forma más

usada en canales es la trapecial, con taludes que

dependen del terreno en el cual el canal será

excavado (Cuadro 2).

Borde libre (e). Es el espacio entre la cota de la

corona y la superficie del agua, no existe ninguna

regla fija que se pueda aceptar universalmente

para el cálculo del borde libre, debido a que las

fluctuaciones de la superficie del agua en un

canal, se puede originar por causas

incontrolables. En la práctica, en tanto no se

tengan valores específicos, es recomendable

usar: e=1/3 d para secciones sin revestimiento y

5

e = 1/6 d para secciones revestidas; donde d es

el tirante del canal en metros. Pero siempre

manteniendo un bordo libre mínimo de 10 cm.

Sección hidráulica óptima. La capacidad de

conducción de un canal aumenta con el radio

hidráulico y varía inversamente con el perímetro

mojado. Desde el punto de vista hidráulico, para

un área dada, la sección más eficiente es aquella

que tiene el mínimo perímetro. Sin embargo, la

relación ancho basal/ profundidad quedará

determinada por un estudio técnico-económico.

4.2 TIPOS DE CANALES

4.2.1 Canales revestidos

El revestimiento de un canal satisface uno o

varios de los objetivos que a continuación se

mencionan:

a) Permitir la conducción del agua, a costos

adecuados y velocidades mayores, en áreas

de excavación profunda o difícil corte.

b) Disminuir la filtración y fugas de agua a

través del cuerpo del canal y evitar el

anegamiento u obras de drenaje costosas en

terrenos adyacentes.

c) Reducir y homogeneizar la rugosidad, con

ello las dimensiones de la sección y los

volúmenes de excavación.

d) Asegurar la estabilidad de la sección

hidráulica y proteger los taludes del

intemperismo y de la acción del agua de

lluvia.

e) Evitar el crecimiento de vegetación y reducir la destrucción de los bordos por el paso de animales.

f) Reducir los costos anuales de operación y mantenimiento.

De acuerdo con lo anterior, un buen

revestimiento debe ser impermeable, resistente

a la erosión, de bajo costo de construcción y

mantenimiento, y durable a la acción de agentes

atmosféricos, plantas y animales.

En rigor, hasta los canales revestidos de concreto

pueden ser erosionados por el flujo si se rebasa

su resistencia a la erosión o se producen otros

fenómenos más complejos como son la

cavitación, que puede dislocar e incluso destruir

el revestimiento. Sin embargo, los

revestimientos de concreto amplían el intervalo

de resistencia a la erosión y proporcionan un

mejor desempeño hidráulico.

Tipos de revestimiento

Los revestimientos en un canal se construyen de

varios tipos de material. El llamado de superficie

dura puede ser a base de concreto simple,

reforzado o lanzado a alta presión, de concreto

asfáltico, de mampostería (piedra, ladrillo,

bloques prefabricados, etc). En general, dichos

materiales satisfacen todos los propósitos antes

expuestos y ofrecen gran resistencia a la acción

erosiva del agua. Otros revestimientos son a

base de materiales granulares, como arcilla,

tierra compactada o grava, que ofrecen menor

resistencia a la erosión, pero superpuestos o no,

sobre una membrana impermeable, disminuyen

de modo importante las pérdidas de agua por

infiltración.

Velocidad Mínima. En general, para evitar el

depósito de materiales en suspensión se

6

recomienda diseñar un canal revestido con una

velocidad mínima aceptable del orden de 0.4 a

1.0 m/s.

Velocidades Máximas. En revestimientos no

armados, para evitar que los revestimientos se

levanten por sub-presión, se recomiendan

velocidades menores de 2.5 m/s. Si el

revestimiento cuenta con armadura la velocidad

deberá limitarse en función de la erosión

probable.

4.2.2 Canales no revestidos

El cuerpo de éste tipo de canales y de los ríos se

forma de materiales con partículas de forma,

tamaño y propiedades diferentes, que varían

desde grandes piedras a material coloidal. Según

sea la intensidad del flujo, el material no siempre

es capaz de resistir la fuerza de arrastre

generada por el agua, que crece conforme

aumenta la velocidad. Este aumento de

velocidad, generalmente asociado a un

incremento de pendiente, puede producir

arrastre del material y su posterior depositación

en las zonas donde disminuye la velocidad, lo

que puede favorecer la inundación de terrenos

adyacentes por una disminución de su capacidad

hidráulica de conducción.

Cuando no hay revestimiento y el material que

se excava es erosionable, las dimensiones de la

sección se eligen para evitar la erosión y la

sedimentación apreciable, es decir, se buscará

impedir el arrastre producido por el flujo en

cualquier condición de operación para que el

canal sea funcionalmente estable. Esto significa

que es más importante que el canal mantenga su

sección en equilibrio dentro de los intervalos de

fluctuación del gasto, que cualquier otra

condición de eficiencia hidráulica, económica o

constructiva.

Un canal no se reviste cuando el material del

lecho reporta poca perdida de agua,

generalmente en suelos arcillosos, para los que

pueden ser suficientes, una vez conformada la

sección, la compactación de su plantilla y

taludes.

Velocidad Máxima. Para éste tipo de canales, es

básico determinar la sección con la cual es

posible conducir el gasto de diseño, sin erosión

del lecho, a una velocidad igual a la máxima

permisible. Esta velocidad es incierta ya que los

lechos en uso soportan, sin erosión, velocidades

mayores a los recién construidos.

5. DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL

DE LLAMADA

Especificaciones técnicas de diseño del canal

Un canal de desviación o llamada adecuado,

según el terreno, debe conducir el gasto máximo

a una velocidad máxima que no socave la

estructura del canal. Obtenida la escorrentía

máxima y la velocidad máxima permitidas, se

determina el área mínima que deberá poseer la

sección hidráulica, a partir de la cual, el canal

podrá cumplir con las características de diseño

señaladas.

7

Máxima Velocidad del agua

La máxima velocidad del agua, depende de la

naturaleza del material, en el cual se construye el

canal (Cuadro 1).

Cuadro 1. Velocidades máximas permitidas en canales.

Material Velocidad media (m/s)

Suelo Arenoso muy suelto 0.30 - 0.45

Arena gruesa o suelo arenoso suelto 0.45 - 0.60

Suelo arenoso promedio 0.60 - 0.75

Suelo franco arenoso 0.75 - 0.83

Suelo franco de aluvión o ceniza

volcánica 0.83 - 0.9

Suelo franco pesado o franco arcilloso 0.90- 1.2

Suelo arcilloso 1.20 - 1.50

Conglomerado, cascajo cementado,

pizarra blanda, hard pan, roca

sedimentaria blanda

1.80 - 2.40

Roca dura o Mampostería 3.00 - 4.50

Concreto 4.50 – 6.00

Área mínima de diseño

El diseño de un canal de llamada, requiere de

una serie de iteraciones, a partir de una sección

transversal del canal, la cual, como mínimo,

debiera tener una superficie igual o mayor a la

calculada según la Ecuación:

Donde:

Vmax: Máxima velocidad permitida, m/s.

Qmax: Escorrentía crítica o gasto máximo de

diseño, m3/s.

5.1 DISEÑO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL

Una vez conocidas las especificaciones de gasto

máximo, máxima velocidad permitida y área

mínima, se deberá realizar una serie de

iteraciones, de sucesivas secciones transversales,

a fin de encontrar aquella sección que sea capaz

de trasladar de manera segura el caudal para el

cual se diseña.

Se debe considerar, para una misma sección

transversal, aquélla capaz de trasladar un mayor

caudal, es decir, la que posea el mayor radio

hidráulico (proporción entre el área transversal

Ac y el perímetro mojado).

Para este fin se propone la metodología que se

describe a continuación:

a) Selección de área, para la primera iteración,

se recomienda utilizar un área igual o

superior al área mínima de diseño.

b) Determinación de parámetros de la sección

transversal base y taludes, según las

condiciones del terreno.

c) Cálculo de los parámetros de tirante del

canal (d), longitud de la superficie libre del

agua (S.L.A), taludes (Z), longitud de taludes

inferior y superior (Linf y Lsup) y radio

hidráulico (r) (Figura 3).

d) Asignación de la pendiente del canal (según

las condiciones del terreno) y determinación

de un coeficiente de rugosidad n (Cuadro 3).

e) Cálculo del caudal y velocidad de transporte

del canal.

8

Figura 3 Sección transversal de un canal.

f) Si el canal no satisface las especificaciones

técnicas, se procede a un nuevo diseño,

según las opciones:

g) Modificación de la pendiente y luego se

realiza nuevamente la prueba de control.

h) Modificación de la sección transversal (se

recomienda un aumento de un orden del 5-

10% respecto a la última iteración),

volviendo a la secuencia a partir del punto b

de esta sección.

Aprobadas las condicionantes técnicas, el perfil

de canal podrá ser implementado en terreno.

Cálculo de los componentes de la sección transversal

Los datos de entrada para el diseño del canal,

son los siguientes:

Ac = Área de sección transversal del canal

(Superior al área mínima).

b = base del canal.

Zinf = Talud inferior.

Zsup = Talud superior.

Área (Ac): Área de diseño; se recomienda utilizar

como primera iteración el área mínima de diseño

(Amín) o una levemente superior, y aumentar en

cada iteración entre un 5 – 10 %, hasta encontrar

el diseño adecuado.

Base (b): Valor predefinido, normalmente igual

a 0.2 m.

Talud inferior y superior: Es importante en la

determinación de los taludes del canal, que éstos

sean adecuados para cada tipo de suelo o

revestimiento, de modo que el canal no se

erosione (Zinf. – Zsup.), teniendo cuidado de

manera especial en obras de conservación

desarrolladas en suelos de texturas livianas

(arenosas), las cuales deben tener taludes

mayores.

Los taludes recomendados para la sección

trapecial de un canal se muestran en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Taludes recomendados para la sección trapecial

de un canal para diferentes tipos de suelo.

Material Talud (Z)

Roca completamente sana Vertical

Roca ligeramente alterada 0.25:1

Mampostería 0.40:1

Tepetate duro, roca alterada 1.00:1

Concreto 1:1 o 1.25:1

Tierra algo arcillosa, tepetate blando, arenisca

blanda, etc. 1.5:1

Material poco estable, arena tierra arenosa, etc. 2.0:1

Con la siguiente fórmula se hace la

determinación de la altura de la sección

transversal de un canal (d).

b:base

d:

Tir

an

te d

el can

al

Talu

d s

uperi

or

Z:1

Perimetro mojado

Talu

d in

ferio

r Z:1

Longitu

d in

ferio

r: Lin

f

Longitud s

uperi

or:

Lsup

S.L.A=Superficie libre del agua

Area transversal

del canal

e=Libre bordo

9

√ ( )

( )

(5)

Una vez calculada la altura se procede al cálculo

de las siguientes componentes de la sección

transversal del canal:

Cálculo de la longitud de la superficie libre del

agua de la sección transversal del canal de

llamada (L.S.L.A):

( ) ( )

Cálculo de longitud de Talud inferior ( infL ):

√ ( )

Cálculo de longitud de taludes superiores ( supL ):

√ ( )

Cálculo del radio hidráulico (r) para una sección

trapezoidal:

( )

Opcionalmente, para comprobar si los cálculos

de los parámetros de la sección transversal

fueron correctos, se recomienda calcular el área

de la sección transversal con la ecuación 10, que

debiera ser igual al área de diseño Ac.

Cálculo de área de la sección transversal

Donde:

Ac = área de la sección del canal, m2.

b = plantilla del canal, m.

L.S.L.A. = longitud de la superficie libre del agua

m.

d = tirante del canal, m.

5.2 CAPACIDADES DEL CANAL DISEÑADO

Una vez diseñada la sección transversal del canal,

es asignada una pendiente para el canal, y se

determina el coeficiente de rugosidad del canal

que corresponde a las condiciones de terreno

(Cuadro 3).

Cuadro 3. Valores de n para fórmulas de Manning

(Arteaga, 2002).

Material Mínimo Normal Máximo

Roca (con salientes y sinuosas) 0.035 0.04 0.05

Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.04

Tierra (alineado y uniforme) 0.017 0.02 0.025

Tierra (construido con draga) 0.025 0.028 0.033

Mampostería seca 0.025 0.03 0.033

Mampostería con cemento 0.017 0.02 0.025

Concreto 0.013 0.017 0.02

Asbesto cemento 0.09 0.01 0.011

Polietileno o PVC 0.007 0.008 0.009

Fierro fundido 0.011 0.014 0.016

10

Material Mínimo Normal Máximo

Acero remachado en espiral 0.013 0.015 0.017

Con estos valores se calcula la velocidad y el

caudal que transportará el canal por medio de

las ecuaciones de Manning descritas a

continuación:

Donde:

Vc = Velocidad media del agua en el canal, m/s.

Qc = Caudal del canal, m3/s.

n = coeficiente de rugosidad de Manning,

adimensional.

r = radio hidráulico (área transversal del canal,

m2; Ecuación 9).

s = pendiente del canal, adimensional

Ac = Área del canal, m2 (Amín = 3).

5.3 PRUEBA DE CONTROL DE

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL

CANAL.

Obtenidos los valores del caudal y velocidad se

verifica si el diseño del canal se encuentra

realizado en concordancia con las

especificaciones técnicas. De no ser así, se

deberá realizar un nuevo diseño (modificando la

pendiente y/o la sección transversal), que deberá

someterse nuevamente a verificación, y así

sucesivamente hasta encontrar el diseño

adecuado.

Cálculo de la velocidad de una canal según

Manning:

Condicionantes Técnicas

De esta forma el diseño de un canal deberá

cumplir con las siguientes especificaciones:

Área del canal, sea mayor o igual que el área

mínima (A mín = Qmáx/Vmáx en donde Qmáx =

gasto máximo; y Vmáx: Velocidad máxima

permitida):

Gasto máximo (Qmáx), sea menor que el caudal

Qc determinado para el canal diseñado:

La velocidad del flujo del canal, sea menor

que la velocidad máxima permitida según las

características del canal diseñado (Vmáx):

5.4 EJEMPLO DE DISEÑO

En base a lo que se describió, en los apartados

anteriores, se procede a hacer los cálculos para

el diseño de un canal y se presentan como

ejemplo los resultados con datos obtenidos de

un levantamiento topográfico, teniendo la

11

longitud total del cauce (Lc) del cual se desviará

el agua, el desnivel (Hc) y longitud del canal de

desviación.

Además, es necesario contar con la superficie

(ha) de todo el terreno cuyas aguas vayan a

verterse sobre el canal; dicho dato se puede

obtener a través de la delimitación del área y de

un modelo digital de elevación.

1) Cálculo del gasto de diseño o gasto crítico.

Cálculo de intensidad de precipitación, mediante

la fórmula de Kirpich.

(Tc) Tiempo de concentración (min) 17.29

Coeficiente de duración 0.52

Periodo de Retorno (años) 10

Precipitación (Pt) (mm) 26.42

Intensidad (I = mm/hr) 91.71

Gasto de diseño o crítico (m3/seg) 1.88

2) Diseño hidráulico y dimensionamiento

del canal.

Para este ejemplo se tiene un material de suelo

franco arcilloso y la velocidad mínima de acuerdo

al Cuadro 1, tiene una velocidad media de 0.9

m/s, con lo que da:

Área mínima de diseño (m2) 2.088

Se propone la base, la altura, el talud superior e

inferior de acuerdo a los taludes recomendados

en el Cuadro 2 para tierra algo arcillosa, con el

fin de obtener la superficie libre del agua, ángulo

y longitud de los taludes superior e inferior

respectivamente:

Longitud canal de

desviación (m) Base (m) Altura (m) S.L.A. (m)

600 0.70 0.80 3.10

Talud superior (aguas arriba)

1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

1.50 56.31 1.442

Talud Inferior (aguas abajo)

1:Z Angulo (grados) Longitud (m)

1.50 56.31 1.000

Posteriormente se calcula:

Área Sección Transversal (m2) 1.52

Volumen conducido en todo lo largo del canal (m3) 912.00

Radio Hidráulico (m) 0.484

Se deduce la pendiente con la siguiente fórmula:

[

]

n (canal propuesto; valor según tabla) 0.023

Pendiente del canal (en decimal) 0.001

12

3) Resultados y condiciones de funcionamiento del canal de llamada.

REQUERIMIENTOS TÉCNICOS CARACTERÍSTICA CANAL

DISEÑADO CONTROL

COMPROBACIÓN DE

CONDICIONANTES TÉCNICAS

Área Mínima (Q/V)

Q (esc. crítico): V (vel. Max. Permitida) 2.09 Área de diseño 1.53 REDISEÑO

Área Mínima >

Área de

Diseño 2.088

Q (esc. crítico)

Caudal mínimo del canal 1.88 Q caudal estimado 1.35 REDISEÑO

Escorrentía Crítica >

Q caudal

estimado (Mínima)

Máxima Velocidad permitida 0.90 V : Velocidad

estimada 0.88 ACEPTADO

Máxima Velocidad

(Vmax) >

V:velocidad

estimada

6. TRAZO

En virtud que los canales de llamada se trazan

transversalmente a la pendiente dominante de la

ladera, la cimentación del terraplén debe

banquearse como se muestra en la Figura 4.

La distancia AB varía de 4 a 5 veces el tirante

para suelos de grava de primera clase con

arcilla suficiente para asegurar cohesión, y de

8 a 10 veces para suelos más ligeros o arcillosos.

En cualquier caso, el terraplén debe ser

suficientemente grande para prevenir fugas

excesivas y tubificación, o bien, tener un corazón

impermeable o un revestimiento. En el cálculo

del libre bordo del canal debe preverse el

asentamiento que va a sufrir el terraplén.

Sobre las laderas, el trazo del canal debe seguir

en lo posible las curvas de nivel del terreno, con

pendientes longitudinales que varíen entre 0.001

y 0.002. De este modo, las curvas horizontales,

para cambiar la dirección del canal, afectan las

cantidades de corte y relleno. Por otra parte, los

contornos resultantes de las curvas de nivel, en

terrenos accidentados, pueden ser demasiado

irregulares para ser seguidos por un canal de

tamaño apreciable. En éste último caso,

laprofundidad del corte debe variar, pero

buscando la compensación entre los tramos de

corte en exceso con los de relleno en déficit. Esto

implica que debe analizarse la curva masa para

mantener las distancias de acarreo en márgenes

económicamente viables.

Figura 4. Corte y relleno en ladera.

Es necesario considerar las condiciones

geológicas del terreno, ya que influyen en forma

decisiva sobre la ubicación del canal y la

determinación de sus secciones transversales.

Por ellos se deben explorarse las formaciones

geológicas, disposiciones de los estratos, fallas,

calidad de la roca (grado de fisuramiento,

permeabilidad, resistencia, tendencia al

intemperismo, etc.) en cortes y rellenos,

tomando en cuenta su profundidad o altura, la

13

cimentación de los muros del canal y del relleno,

así como la extensión y calidad del

revestimiento.

7. METODOLOGÍA PARA EL TRAZO DE

UN CANAL CON CIVIL CAD

Cuando se trata de trazar un canal de llamada es

necesario recolectar la información que pueda

conjugarse para su buen trazo:

a) Fotografías aéreas para localizar el área

de estudio.

b) Planos topográficos y catastrales.

c) Estudios geológicos, suelos y vegetación.

Una vez obtenida la información cartográfica

necesaria, en escala 1:50,000 o menor, se

procede en gabinete a identificar un trazo

preliminar, el que se replantea en campo y se le

hacen los ajustes necesarios para identificar el

trazo definitivo.

En el caso de no existir información topográfica

básica se procede a levantar el relieve por donde

pasará el canal, procediendo con los siguientes

pasos:

d) Reconocimiento del terreno

Se recorre la zona anotando todos los detalles

que influyen en la determinación de un eje

probable de trazo, estableciendo el punto inicial

y punto final.

e) Trazo preliminar

Se procede a levantar la zona con una brigada

topográfica, clavando en el terreno las estacas de

la poligonal preliminar y luego el levantamiento

con equipo topográfico. Posteriormente a este

levantamiento se nivelará la poligonal y se hará

el levantamiento de secciones transversales.

Estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si

es un terreno con una alta distorsión de relieve,

la sección se hace a cada 5 m; si el terreno no

muestra muchas variaciones y es uniforme la

sección, máximo cada 20 m.

f) Trazo definitivo

Con los datos del trazo preliminar se procede al

trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del

plano, la cual depende básicamente de la

topografía de la zona y de la precisión que se

desea.

La metodología que se explica a continuación, es

para datos obtenidos de un levantamiento

topográfico de parcelamiento con coordenadas

(x,y,z), además de auxiliarse con los softwares

AutoCad y CivilCad, para obtener volúmenes con

una sección de canal tipo trapezoidal.

Es importante destacar que habrá algunos pasos

que no se detallarán, ya que se exponen en el

Instructivo de “Topografía para Obras COUSSA”.

Primero se debe definir la pendiente de diseño,

las características geométricas y las propiedades

hidráulicas del canal.

Importar puntos

Con el CivilCad se establece estilo y tamaño de

letra para proceder a importar las coordenadas

del levantamiento; en seguida se identifican los

puntos correspondientes a las parcelas y se unen

éstos con polilíneas para obtener los polígonos

del parcelamiento (Figura 5).

14

Figura 5. Unión de puntos.

Triangulación

Esto hace posible poder dibujar los puntos de

proyecto con coordenadas XYZ y producir la

triangulación y curvas de nivel de proyecto

(Figura 6).

Figura 6. Triangulación.

Curvas de nivel

Obtener las curvas de nivel a cada 20 m,

anotando las elevaciones en las curvas (Figura 7).

Figura 7. Curvas de nivel.

Ubicación del canal

Trazar con una polilínea por dónde va a estar la

ubicación del canal; es importante tomar en

cuenta la pendiente del terreno en base a las

curvas de nivel (Figura 8).

Figura 8. Ubicación del canal.

Cadenamiento

Para obtener la longitud del canal es necesario

cadenar, por lo que hay que marcar estaciones

en el eje de proyecto, ya sea a intervalos

regulares, puntos seleccionados o por distancia a

la estación inicial (Figura 9).

Perfil del canal

Generar el perfil del terreno especificando escala

horizontal y vertical (Figura 10).

TRAZO DE CANAL

15

Figura 9. Cadenamiento del canal.

Figura 10. Perfil del canal.

Pendiente del perfil

Anotar pendiente en segmentos de perfil en

forma automática o manual, usando las

siguientes instrucciones: CivilCad, Altimetría,

Perfiles, Anotar, Pendiente (Figura 11).

Seleccionar el perfil, indicar Manual (M), elegir

primer punto (estación 0+000) y segundo punto

que corresponde a la longitud total del canal

(Figura 12).

Generar perfil de proyecto con la pendiente que

se calcula, es decir, por cada kilómetro que se

avanza debe de bajar cierto desnivel y así hasta

obtener el total que se debe bajar en la longitud

total del canal (Figura 13).

Figura 11. Secuencia para generar pendiente del perfil.

Figura 12. Pendiente del perfil.

Figura 13. Desnivel para generar perfil de proyecto.

Ubicar la polilínea con el desnivel en el perfil

generado. Dicha polilínea será llamada perfil del

CADENAMIENTO

DATOS DE ESTACIÓN ESCALA

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL TERRENO PENDIENTE

ESCALA DATOS DE ESTACIÓN

PUNTO 1

DESNIVEL

PUNTO 2

16

proyecto, que no se debe de colocar en el

misma elevación donde inicia el perfil del terreno

(km 0+000). Hay que tomar en cuenta los datos

de libre bordo y tirante del canal, (por ejemplo bl

o l.s.l.a =0.30m y d=0.80m), para el ejemplo

práctico, y obtener cortes y rellenos; una tercera

parte irá enterrada (1.10/3=0.37m), y se

generará una polilínea vertical (0.37m), tal como

se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Ubicación del perfil del proyecto con respecto

al perfil de terreno.

Al verificar el perfil del terreno, respecto al de

proyecto, nos indica mayor volumen de relleno

que de excavación, por lo que se recomienda, en

el perfil del proyecto, caídas hidráulicas, según lo

requiera la topografía (Figura 15).

Figura 15. Volumen de relleno excesivo en la ubicación

del perfil del proyecto con respecto al de terreno.

Una vez identificadas las caídas, dibujar con

polilínea el nuevo perfil del proyecto (Figura 16).

Convertir la polyline que se dibujó con caídas a

perfil de proyecto.

El perfil de proyecto define la elevación de las

rasantes o subrasantes de proyecto. El programa

calcula la elevación inicial y final de rasantes del

perfil si ya están definidas o condicionadas, en

caso contrario utiliza como referencia la

elevación inicial y final del perfil de terreno; se

llevan a cabo las siguientes instrucciones:

CivilCad, Altimetría, Perfiles, Proyecto, Convertir

(Figura 17).

Seleccionar perfil del proyecto y perfil de

terreno.

Copiar únicamente perfil de terreno del

proyecto, en otro apartado, para generar la

retícula y obtener los datos necesarios para

generar el volumen de cortes y rellenos.

Retícula

Civil Cad, Altimetría, Perfiles, Retícula (Figura 18).

Al activar la secuencia de retícula, muestra la

caja de diálogo, donde se selecciona: Terreno y

proyecto, aceptar (Figura 19).

PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

PERFIL DEL TERRENO PERFIL DEL PROYECTO

17

Figura 16. Perfil del proyecto con caídas.

Figura 17. Secuencia para convertir perfil con caídas a

perfil del proyecto.

Figura 18. Secuencia para generar retícula en perfil.

Figura 19. Caja de diálogo para retícula en perfiles.

COPIA PERFIL DEL PROYECTO

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL PROYECTO CON CAÍDA

PERFIL DEL PROYECTO

18

Seleccionar perfil del terreno y del proyecto

(Figura 20).

Figura 20. Selección de perfiles para generar retícula.

El programa de CivilCad genera el perfil con

retícula en el que muestra terraplén, corte,

subrasante y terreno (Figura 21).

Figura 21. Perfil con retícula, terraplén, corte, subrasante

y terreno.

Secciones

Para generar las secciones, se debe tener puntos

suficientes por donde pasa el trazo del canal, por

lo que es recomendable unir e insertar puntos,

para generar todas las secciones. Para dicha

unión usamos: CivilCad, Puntos, Terreno, Unir

(Figura 22).

Figura 22. Secuencia para unir puntos.

El CivilCad pide que si considerar elevación: Si (S)

e indicar el punto inicial (Figura 23).

19

Figura 23. Unión de puntos considerando elevación.

Mostrar el siguiente punto, y así sucesivamente;

ello va generando una serie de polilíneas sobre

las cuales se insertarán los puntos, usando:

CivilCad, Puntos, Terreno, Insertar (Figuras 24, 25

y 26).

Al momento de ir insertando los puntos se

pueden enumerar.

En este caso no se enumerarán los puntos por lo

que se marca No (N).

Se introducen los puntos encima de las polilíneas

generadas en el paso anterior (Figura 27).

Para verificar que se haya generado el punto, se

le da zoom y para conocer las coordenadas del

punto generado, se le da click en properties y se

despliega un cuadro que indica la posición del

punto (Figura 28).

Figura 24. Secuencia para insertar puntos.

Figura 25. Inserción de puntos.

20

Figura 26. Serie de polilíneas con puntos insertados.

Figura 27. Inserción de puntos del eje de la planta del

perfil sobre la intersección de las polilíneas generadas.

Figura 28. Coordenadas de punto insertado.

Una vez que se tienen los suficientes datos, se

procede a generar las secciones transversales,

seleccionando el eje del proyecto, creando todas

las secciones e indicando los datos

correspondientes en la caja de diálogo (Figura

29).

Figura 29. Sección transversal generada.

Cortes y rellenos

Para obtener cortes y rellenos, es necesario

dibujar la sección tipo con sus características

geométricas (Figura 30).

Figura 30. Características geométricas del canal para

obtener volumetría.

Verificar en la sección la elevación del terreno

natural con respecto a la elevación del perfil en

21

la subrasante. Por ejemplo en el km 0+000, si se

tiene una elevación en la sección de 1765.12

menos la que nos marca el perfil de 1764.93 es

igual a 0.19.

Entonces en la sección 0+000 hacer un offset

(desfase) de 0.19 y ubicar la sección tipo.

Figura 31. Offset con respecto a la elevación del terreno

natural con el perfil de la subrasante.

Eliminar el desfase generado, ya que solo sirve

para guiarse y colocar la sección tipo del canal.

Convertir la sección tipo de canal a sección de

proyecto, a través de: CivilCad, Secciones,

Proyecto, Convertir (Figura 32).

Seleccionar sección de proyecto y de terreno

(Figura 33).

La sección se convierte a proyecto. Lo que sigue

es anotar (CivilCad, Secciones, Anotar) datos en

secciones de proyecto en forma manual o

automática (Figura 34).

Figura 32. Secuencia para convertir sección tipo a

proyecto.

Figura 33. Selección de sección de proyecto y de terreno.

SECCIÓN TIPO DEL CANAL

SECCIÓN DEL TERRENO

OFFSET DE 0.19

22

Figura 34. Secuencia para anotar datos en secciones.

Al activar esta rutina, aparece la siguiente caja

de diálogo, en la que se indicarán los datos

que se requieran y que aparezcan en cada una

de las secciones (Figura 35).

Figura 35 Caja de diálogo para anotar datos en secciones.

Los datos que pueden anotarse manual o

automáticamente son: pendiente, talud, offset,

rasante, elevación de terreno natural y área.

Se puede especificar un rango de valores para

considerar la pendiente como talud, indicando

la relación horizontal/vertical. Los prefijos que

se anteponen a los datos anotados pueden

modificarse en la caja de diálogo

correspondiente.

Seleccionar la sección del canal y sección de

terreno; en seguida aparecerá la sección con los

datos seleccionados en la caja de diálogo de

secciones (Figura 36).

Figura 36. Sección con volumetría.

El procedimiento para obtener área de terraplén

y área de corte, se hace para cada una de las

secciones.

En una hoja de EXCEL, se suman las áreas de

cada sección y se obtiene el volumen total de

terraplén y corte, como se muestra en el

siguiente ejemplo:

23

Estación Área de

terraplén A1+A2 d/2 Volumen

Volumen

acumulado

0+000 1.61

10 0

0+020 2.04 3.65 10 36.5 36.5

0+040 2.62 4.66 10 46.6 83.1

Estación Área de

corte A1+A2 d/2 Volumen

Volumen

acumulado

0+000 0.21

10 0

0+020 0.05 0.26 10 2.6 2.6

0+040 0.00 0.05 10 0.5 3.1

8. BIBLIOGRAFÍA

ArqCOM. 2011. Ayuda de usuario para CivilCad y

AutoCad.

Arteaga, T. R. E. 2002. Hidráulica elemental.

Departamento de Irrigación, UACh, México.

DGOP. 2002. Manual de carreteras, Instrucciones

y criterios de diseño, Volumen 3. Dirección

General de Obras Públicas, Dirección de Vialidad,

Ministerio de obras públicas, Chile.

Sotelo, A. G. 2002. Hidráulica de canales. UNAM.

México.

ELABORARON:

Dr. Mario R. Martínez Menes Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso Ing. Ma. Clara Elena Mendoza González Ing. Rodiberto Salas Martínez Ing. Hilario Ramírez Cruz

Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la

Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA

www.coussa.mx

Dr. Mario R. Martínez Menes [email protected] Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso [email protected] Teléfono: (01) 595 95 5 49 92

Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México.

24

ANEXO 1.

De acuerdo a la norma oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000 conservación del recurso agua, el

coeficiente de escurrimiento se determina a partir de los siguientes procedimientos:

Transferencia de información hidrométrica y climatológica de cuencas vecinas,

hidrológicamente homogéneas.

En la cuenca vecina se determinan los coeficientes de escurrimientos anuales (Ce), mediante

la relación de volumen escurrido anualmente (Ve), entre el volumen de precipitación anual

(Vp) correspondiente.

Con los valores del volumen de precipitación anual y el coeficiente de escurrimiento anual,

obtenidos en la cuenca vecina, se establece una correlación gráfica o su ecuación matemática.

Con apoyo de la ecuación matemática o en la gráfica -y al utilizar los valores del volumen de

precipitación anual de la cuenca en estudio- se estiman los correspondientes coeficientes

anuales de escurrimiento.

En función del tipo y uso de suelo y del volumen de precipitación anual, de la cuenca en

estudio.

A falta de información específica, con apoyo a los servicios del Instituto Nacional de

Estadística, Geografía e Informática (INEGI) y de visitas de campo, se clasifican los suelos de la

cuenca en estudio, en tres diferentes tipos: A (suelos permeables); B (suelos medianamente

permeables); y C (suelos casi impermeables), que se especifican en el Cuadro 1. Y al tomar en

cuenta el uso actual del suelo, se obtiene el valor del parámetro K.

25

Cuadro 4. Valores de K, en función del tipo y uso de suelo.

TIPO DE SUELO CARACTERÍSTICAS

A Suelos permeables, tales como arenas profundas y loess poco compactos

B Suelos medianamente permeables, tales como arenas de mediana profundidad: loess algo mas compactados que los correspondientes a los suelos A; terrenos migajosos

C Suelos casi permeables, tales como arenas o loess muy delgados sobre una capa impermeable, o bien arcillas

USO DEL SUELO TIPO DE SUELO

A B C

Barbecho, áreas incultas y desnudas Cultivos: En hilera Legumbres o rotación de praderas Granos pequeños Pastizales: % del suelo cubierto o pastoreo Más del 75% poco Del 50 al 75% regular Menos del 50% excesivo Bosque: Cubierto más del 75% Cubierto del 50 al 75% Cubierto del 25 al 50% Cubierto menos del 25% Zonas urbanas Caminos Praderas permanentes

0.26

0.24 0.24 0.24

0.14 0.20 0.24

0.07 0.12 0.17 0.22 0.26 0.27 0.18

0.28

0.27 0.27 0.27

0.20 0.24 0.28

0.16 0.22 0.26 0.28 0.29 0.30 0.24

0.30

0.30 0.30 0.30

0.28 0.30 0.30

0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.33 0.30

Si en la cuenca de estudio existen diferentes tipos y usos de suelo, el valor de K se calcula

como la resultante de subdividir la cuenca en zonas homogéneas y obtener el promedio

ponderado de todas ellas.

Una vez obtenido el valor de K, el coeficiente de escurrimiento anual (Ce), se calcula mediante

las formulas siguientes:

K: PARÁMETRO QUE DEPENDE DEL TIPO Y USO DEL SUELO COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO MEDIO ANUAL (Ce)

Si K resulta menor o igual a 0.15

Si K es mayor que 0.15

P = precipitación anual, en mm.

El rango donde las fórmulas se consideran validas es para valores de precipitación anual entre 350 y

2150 mm.

26

La transpiración está incluida en el coeficiente de escurrimiento.

En aquellos casos en que se cuente con estudios hidrológicos y se conozcan los coeficientes de

escurrimiento, éstos se podrán usar para el cálculo del escurrimiento.

Información requerida:

Procedimiento de cálculo y metodología para determinar la precipitación media anual en la

cuenca.

Procedimiento de estimación y consideraciones para determinar el coeficiente de

escurrimiento.

Relación de las estaciones climatológicas utilizadas para determinar los escurrimientos,

indicando sus coordenadas geográficas, así como las entidades federativas a las que

pertenecen, poblaciones próximas importantes y cualquier otra información de utilidad que

permita hacer más claro el cálculo del volumen anual de escurrimiento natural.

En el caso de que en la cuenca en estudio no cuente con suficiente información hidrométrica ni

pluviométrica, o ambas sean escasas, el volumen medio anual de escurrimiento natural se determina

indirectamente transfiriendo la información de otras cuencas vecinas de la región, mismas que se

consideran homogéneas y que cuentan con suficiente información hidrométrica o pluviométrica; para

ello se requiere la siguiente información:

Nombre y área la de cuenca hidrológica o subcuenta en estudio.

Ubicación de la cuenca hidrológica en cartas hidrográficas, indicando su localización con

respecto a la región o subregión hidrológica y entidades federativas a las que pertenece.

Nombre de las estaciones hidrométricas y su ubicación sobre el cauce principal.

Volúmenes de extracción de la cuenca hidrológica en estudio y sus diversos usos.

Notas aclaratorias necesarias.

Información pluviométrica e hidrométrica de por lo menos 20 años de registro.

Descripción del método aplicado, así como la justificación de su empleo en esa cuenca,

subcuenca o punto específico.

Relación de las variables significativas de la cuenca, empleadas en el coeficiente de

escurrimiento.

Resultados de las pruebas de homogeneidad hidrológica, climatológica, y fisiográfica de las

cuencas vecinas y/o registros empleados en la trasferencia de información.