Diseño de canales abiertos + Excel

By Ing. Luis Colmenarez
diseño de canales abiertos

Los sistemas de canales abiertos y su diseño son parte integral del diseño de drenaje de aguas pluviales, especialmente para sitios de desarrollo que utilizan mejores prácticas de diseño de sitios y canales estructurales abiertos.

Los canales abiertos incluyen zanjas de drenaje, canales de hierba, cunetas mejoradas secas y húmedas, canales de ripeo y canales revestidos de hormigón.

El propósito de esta publicación es proporcionar una visión general de los criterios y métodos de diseño de canales abiertos, incluyendo un archivo de excel que te ayudara con el diseño de los mismos.

Tipos de canales abiertos

Las tres clasificaciones principales de los tipos de canales abiertos de acuerdo con los revestimientos de canales tienen vegetación, flexible y rígido. Los forros con vegetación incluyen césped con mantillo, césped y césped lapeado, y humedales canales Riprap y algunas formas de forros o gaviones flexibles hechos por el hombre son ejemplos de revestimientos, mientras que los revestimientos rígidos son generalmente de hormigón o bloque rígido.

Recubrimientos vegetativos

La vegetación, cuando es práctico, es el revestimiento más deseable para un canal artificial. Estabiliza el cuerpo del canal, consolida la masa del suelo del lecho, controla la erosión en la superficie del canal, proporciona hábitat y proporciona beneficios de calidad del agua

Las condiciones bajo las cuales la vegetación puede no ser aceptable incluyen pero no se limitan a:

  • Altas velocidades.
  • Agua estancada o que fluye continuamente.
  • Falta de mantenimiento regular necesario para evitar el crecimiento de vegetación más alta o leñosa.
  • Falta de nutrientes y suelo vegetal inadecuado.
  • Sombra excesiva.

Se requiere una adecuada siembra, mantillo y preparación del suelo durante la construcción para asegurar establecimiento de vegetación sana.

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Recubrimientos flexibles

La fibra de roca, incluidos los escombros, es el tipo de forro flexible más común para canales Presenta una superficie rugosa que puede disipar la energía y mitigar los aumentos en la velocidad erosiva. Estos revestimientos son generalmente menos costosos que los revestimientos rígidos y tienen cualidades de autocuración que reducen el mantenimiento. Sin embargo, pueden requerir el uso de una tela de filtro dependiendo de la base.

Los suelos y el crecimiento de pastos y malezas pueden presentar problemas de mantenimiento.

Recubrimientos rígidos

Los revestimientos rígidos se construyen generalmente de concreto y se usan donde se requiere capacidad de flujo alto. Sin embargo, las velocidades más altas crean el potencial de desgaste en el revestimiento del canal de transición y canal de corte de cabeza.

Símbolos y definiciones

En la siguiente lista encontraras los símbolos en conjunto con sus definiciones usados en el diseño de canales:

α coeficiente de energía

A área de corte transversal ft2

b Ancho de fondo ft

Cg Factor de corrección de peso específico

D o d Profundidad de flujo ft

d Diámetro de piedra ft

Δd Sobreelevación del perfil de la superficie del agua – ft

dx Diámetro de la piedra para el cual x por ciento, en peso, de la gradación es más fina – ft

E Energía específica – ft

Fr Número de Padre Froude

g Aceleración de la gravedad – 32.2 ft / s2

hloss pérdida de la cabeza – ft

K Transmisión del canal

Ke coeficiente de pérdida de cabeza de Eddy – ft

KT Factor de transporte de canal abierto trapezoidal

L Longitud del canal – ft

Lp Longitud de pies de protección aguas abajo – ft

n coeficiente de rugosidad de Manning

P perímetro mojado – ft

Q tasa de descarga – cfs

R Radio hidráulico de flujo – ft

Rc Radio media de la curva – ft

S Pendiente – ft / ft

SWs Peso específico de la piedra – lbs / ft3

T Ancho superior de la superficie del agua – ft

V o v Velocidad de flujo – ft / s

w Peso de la piedra – lbs / ft3

yc profundidad crítica – ft

yn Profundidad normal – ft

z Factor de sección de flujo crítico

Criterio de diseño de canales abiertos

Criterios Generales

Se deben seguir los siguientes criterios para el diseño de canal abierto:

  • Los canales con anchos de fondo superiores a 10 pies se diseñarán con un fondo mínimo pendiente transversal de 12 a 1, o con secciones transversales compuestas.
  • Las pendientes laterales del canal serán estables en toda la longitud y la pendiente lateral dependerá del material del canal. Se utilizará un máximo de 3: 1 para las pendientes laterales del canal, excepto para zanjas en las carreteras, que deben cumplir con el Estándar de diseño de carreteras del condado.
  • Se prefieren las secciones transversales trapezoidales o parabólicas a las formas triangulares.
  • Para canales vegetativos, la estabilidad del diseño se debe determinar utilizando valores vegetativos bajo condiciones de retardo (Clase D) y para capacidad de diseño Retardo vegetativo mayor se deben utilizar condiciones (Clase C).
  • Para canales vegetativos, las velocidades de flujo dentro del canal no deben exceder el máximo velocidades permisibles dadas en las Tablas 4.4-2 y 4.4-3.
  • La pendiente mínima para los canales forrados de hierba será del uno (1%) por ciento.
  • Si la reubicación de un canal de flujo es inevitable, la forma de la sección transversal, el meandro, el patrón, la rugosidad, el transporte de sedimentos y la pendiente deben ajustarse a las condiciones existentes en la medida. Algunos medios de disipación de energía pueden ser necesarios cuando las condiciones existentes no puede ser duplicadas
  • La estabilización se debe proporcionar, cuando sea apropiado, como resultado de cualquier flujo perturbaciones como la invasión y deben incluir tanto aguas arriba como aguas abajo los bancos, así como el sitio local.

Limitaciones de velocidad

El diseño final de los canales abiertos artificiales debe ser consistente con las limitaciones de velocidad para el revestimiento del canal seleccionado. Los valores de velocidad máxima para las categorías de revestimiento seleccionadas se presentan en Tabla 4.4-2. La siembra y el mantillo solo se deben usar cuando el valor de diseño no exceda el valor permisible para suelo desnudo. Las limitaciones de velocidad para los forros vegetativos se muestran en la Tabla 4.4-3.

Los valores n de Manning (Rugosidad de Maning)

El valor n de Manning es una variable importante en los cálculos de flujo de canal abierto. Variación en este variable puede afectar significativamente las estimaciones de descarga, profundidad y velocidad. Desde los n valores de Manning Depende de muchas características físicas diferentes de los canales naturales y artificiales. Debe existir cuidado y buen juicio de ingeniería en el proceso de selección de este valor.
Los valores n de Manning recomendados para canales artificiales con recubrimiento rígido, sin recubrimiento, recubrimiento temporal, ripio de grava y roca se dan en la Tabla 4.4-4. Se deben determinar los valores recomendados para los recubrimientos vegetativos utilizando la Figura 4.4-1, que proporciona una relación gráfica entre los valores n de Manning y el
producto de la velocidad y el radio hidráulico para varias clasificaciones de retardo vegetativo (ver Tabla 4.4-6). La Figura 4.4-1 se usa de manera iterativa. Valores recomendados de Manning para los canales naturales que están excavados o dragados y naturales se dan en la Tabla 4.4-5. por canales naturales, los valores n de Manning deben estimarse utilizando un juicio experimentado y información presentada en publicaciones como la Guía para seleccionar la aspereza de Manning Coeficientes para canales naturales y planicies de inundación, FHWA-TS84-204, 1984.

Figuras y tablas para el diseño de canales abiertos

Velocidades máximas para comparar materiales de revestimiento
Velocidades máximas para comparar materiales de revestimiento
Velocidades máximas para revestimientos de canales vegetativos
Velocidades máximas para revestimientos de canales vegetativos
Coeficientes de rugosidad de Manning (n) para canales artificiales
Coeficientes de rugosidad de Manning (n) para canales artificiales
Los valores de n de Manning para canales con vegetación
Los valores de n de Manning para canales con vegetación
Valores de flujo uniformes del coeficiente de rugosidad n
Valores de flujo uniformes del coeficiente de rugosidad n (continuación)
Valores de flujo uniformes del coeficiente de rugosidad n (continuación)
Clasificación de cubiertas vegetales según grados de retardo
Clasificación de cubiertas vegetales según grados de retardo

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