SECRETARA DE AGRICULTURA, GANADERA,

DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIN

Subsecretara de Desarrollo RuralDireccin General de Apoyos para el Desarrollo Rural

DISEO HIDRULICODE UN CANAL DE LLAMADA

2

DISEO HIDRULICO DE UN CANAL DE LLAMADA

1. INTRODUCCIN

Los canales de llamada son estructuras para la

captacin de agua de escorrenta, los cuales se

excavan de manera transversal a una ladera

natural, con diversas dimensiones para alimentar

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

captacin 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 depsito. Tiene la ventaja

adicional de servir como brecha cortafuego y

disminuir los efectos de la erosin hdrica.

2. OBJETIVO

El presente documento tiene como objetivo fijar

criterios tcnicos, que sirvan como gua de

diseo de canales de llamada, as como

establecer los requisitos mnimos de seguridad

que deben cubrirse para su correcto

funcionamiento.

3. HIDROLOGA

Con la informacin de intensidades de lluvia y los

datos topogrficos del terreno, se determina la

capacidad del canal para conducir

adecuadamente el gasto mximo de diseo. ste

canal deber ser capaz de encauzar la

escorrenta mxima, aportada por ladera

receptora, que pueda ocurrir en un tiempo

determinado (Figura 1).

Figura 1. Diagrama de ubicacin del canal de llamada.

El volumen de agua que deber recibir un canal

de llamada depende de diversos factores:

La mxima intensidad de lluvia que pueda

ocurrir en un periodo y tiempo

determinados.

Caractersticas de la zona vertiente, tales

como la pendiente, la cubierta vegetal

existente en el rea, el suelo y sus

caractersticas de textura e infiltracin, entre

otras.

Extensin de la ladera, variable que est

directamente asociada al rea aportadora

de escorrenta superficial al canal.

Para la determinacin del gasto mximo de

diseo del canal, se recomienda emplear el

mtodo racional.

Zona EstableZona

erosionada

Canal de desviacin

Quebrada

LArea deImpluvio

Zona de evacuacindel canal

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

3

3.1 CLCULO DEL GASTO MXIMO POR EL

MTODO RACIONAL

Este mtodo asume que el mximo porcentaje

de escurrimiento de una cuenca pequea ocurre

cuando la totalidad de tal cuenca est

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

expresin:

Donde:

= gasto mximo, m3/s.

C = coeficiente de escurrimiento,

adimensional (Anexo 1).

I = intensidad mxima de lluvia para un perodo

de retorno dado, mm/h.

= rea de la cuenca, ha.

360 = factor de ajuste de unidades.

Es el gasto mximo posible que puede

producirse con una lluvia de intensidad

en una cuenca de rea y coeficiente de

escurrimiento C que expresa la fraccin

de la lluvia que escurre en forma directa.

Perodo de retorno (T)

Perodo de retorno es uno de los parmetros

ms significativos a ser tomado en cuenta en el

momento de dimensionar una obra hidrulica

destinada a soportar avenidas.

El perodo de retorno se define como el intervalo

de recurrencia (T), al lapso promedio en aos

entre la ocurrencia de un evento igual o mayor a

una magnitud dada.

Debido a la gran variabilidad que sufren las

precipitaciones de un ao a otro, se recomienda

dimensionar ste tipo de obras para un periodo

de retorno de 10 aos.

Intensidad mxima de lluvia (I)

Las curvas intensidad-duracin-frecuencia (IDF)

son bsicas en todo anlisis hidrolgico para la

estimacin de avenidas mximas por mtodos

empricos e hidrolgicos (Figura 2). En la

actualidad ya se cuenta con las curvas IDF de

todo el pas editadas por la Secretara de

Comunicaciones y Transportes (SCT), y se

encuentran disponibles en su portal de internet1.

Figura 2. Curvas Intensidad-Duracin-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)

DURACIN 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 concentracin de

la lluvia. Este tiempo se define como el intervalo

que pasa desde el final de la lluvia neta hasta el

final de la escorrenta directa. Representa el

tiempo que tarda en llegar, al aforo, la ltima

gota de lluvia que cae en el extremo ms alejado

de la cuenca y que circula por escorrenta

directa. Por lo tanto, el tiempo de concentracin

sera el tiempo de equilibrio o duracin necesaria

para que con una intensidad de escorrenta

constante se alcance el caudal mximo.

El tiempo de concentracin se calcula mediante

la ecuacin:

Donde:

= tiempo de concentracin, 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

concentracin es mediante la frmula de Kirpich:

Donde:

= tiempo de concentracin, h.

Hc = Desnivel en m, desde la salida hasta el

punto ms lejano en m.

Lc = longitud del cauce principal, m.

4. GENERALIDADES

4.1 CONCEPTOS BSICOS

Velocidad mnima. El diseo de canales,

recubiertos o no, que conducen agua con

material fino en suspensin, debe considerar que

la velocidad media del flujo, para el caudal

mnimo de operacin, sea mayor o igual que la

necesaria para evitar la sedimentacin del

material transportado.

Velocidad mxima. La velocidad mxima de

operacin en canales, con o sin recubrimiento de

superficie dura, que conducen agua limpia o

material en suspensin debe limitarse para evitar

el socavacin o erosin continua del fondo y

paredes por turbulencia, abrasin o

eventualmente cavitacin.

Taludes. Se refiere a la inclinacin que poseen

las paredes laterales del canal y las cuales se

expresan en forma de proporcin. La forma ms

usada en canales es la trapecial, con taludes que

dependen del terreno en el cual el canal ser

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 clculo del borde libre, debido a que las

fluctuaciones de la superficie del agua en un

canal, se puede originar por causas

incontrolables. En la prctica, en tanto no se

tengan valores especficos, 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 mnimo de 10 cm.

Seccin hidrulica ptima. La capacidad de

conduccin de un canal aumenta con el radio

hidrulico y vara inversamente con el permetro

mojado. Desde el punto de vista hidrulico, para

un rea dada, la seccin ms eficiente es aquella

que tiene el mnimo permetro. Sin embargo, la

relacin ancho basal/ profundidad quedar

determinada por un estudio tcnico-econmico.

4.2 TIPOS DE CANALES

4.2.1 Canales revestidos

El revestimiento de un canal satisface uno o

varios de los objetivos que a continuacin se

mencionan:

a) Permitir la conduccin del agua, a costos

adecuados y velocidades mayores, en reas

de excavacin profunda o difcil corte.

b) Disminuir la filtracin y fugas de agua a

travs 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 seccin y los

volmenes de excavacin.

d) Asegurar la estabilidad de la seccin

hidrulica y proteger los taludes del

intemperismo y de la accin del agua de

lluvia.

e) Evitar el crecimiento de vegetacin y reducir la destruccin de los bordos por el paso de animales.

f) Reducir los costos anuales de operacin y mantenimiento.

De acuerdo con lo anterior, un buen

revestimiento debe ser impermeable, resistente

a la erosin, de bajo costo de construccin y

mantenimiento, y durable a la accin de agentes

atmosfricos, plantas y animales.

En rigor, hasta los canales revestidos de concreto

pueden ser erosionados por el flujo si se rebasa

su resistencia a la erosin o se producen otros

fenmenos ms complejos como son la

cavitacin, que puede dislocar e incluso destruir

el revestimiento. Sin embargo, los

revestimientos de concreto amplan el intervalo

de resistencia a la erosin y proporcionan un

mejor desempeo hidrulico.

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 presin, de concreto

asfltico, de mampostera (piedra, ladrillo,

bloques prefabricados, etc). En general, dichos

materiales satisfacen todos los propsitos antes

expuestos y ofrecen gran resistencia a la accin

erosiva del agua. Otros revestimientos son a

base de materiales granulares, como arcilla,

tierra compactada o grava, que ofrecen menor

resistencia a la erosin, pero superpuestos o no,

sobre una membrana impermeable, disminuyen

de modo importante las prdidas de agua por

infiltracin.

Velocidad Mnima. En general, para evitar el

depsito de materiales en suspensin se

6

recomienda disear un canal revestido con una

velocidad mnima aceptable del orden de 0.4 a

1.0 m/s.

Velocidades Mximas. En revestimientos no

armados, para evitar que los revestimientos se

levanten por sub-presin, se recomiendan

velocidades menores de 2.5 m/s. Si el

revestimiento cuenta con armadura la velocidad

deber limitarse en funcin de la erosin

probable.

4.2.2 Canales no revestidos

El cuerpo de ste tipo de canales y de los ros se

forma de materiales con partculas de forma,

tamao y propiedades diferentes, que varan

desde grandes piedras a material coloidal. Segn

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 depositacin

en las zonas donde disminuye la velocidad, lo

que puede favorecer la inundacin de terrenos

adyacentes por una disminucin de su capacidad

hidrulica de conduccin.

Cuando no hay revestimiento y el material que

se excava es erosionable, las dimensiones de la

seccin se eligen para evitar la erosin y la

sedimentacin apreciable, es decir, se buscar

impedir el arrastre producido por el flujo en

cualquier condicin de operacin para que el

canal sea funcionalmente estable. Esto significa

que es ms importante que el canal mantenga su

seccin en equilibrio dentro de los intervalos de

fluctuacin del gasto, que cualquier otra

condicin de eficiencia hidrulica, econmica 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

seccin, la compactacin de su plantilla y

taludes.

Velocidad Mxima. Para ste tipo de canales, es

bsico determinar la seccin con la cual es

posible conducir el gasto de diseo, sin erosin

del lecho, a una velocidad igual a la mxima

permisible. Esta velocidad es incierta ya que los

lechos en uso soportan, sin erosin, velocidades

mayores a los recin construidos.

5. DISEO HIDRULICO DE UN CANAL

DE LLAMADA

Especificaciones tcnicas de diseo del canal

Un canal de desviacin o llamada adecuado,

segn el terreno, debe conducir el gasto mximo

a una velocidad mxima que no socave la

estructura del canal. Obtenida la escorrenta

mxima y la velocidad mxima permitidas, se

determina el rea mnima que deber poseer la

seccin hidrulica, a partir de la cual, el canal

podr cumplir con las caractersticas de diseo

sealadas.

7

Mxima Velocidad del agua

La mxima velocidad del agua, depende de la

naturaleza del material, en el cual se construye el

canal (Cuadro 1).

Cuadro 1. Velocidades mximas 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 aluvin o ceniza

volcnica 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 Mampostera 3.00 - 4.50

Concreto 4.50 6.00

rea mnima de diseo

El diseo de un canal de llamada, requiere de

una serie de iteraciones, a partir de una seccin

transversal del canal, la cual, como mnimo,

debiera tener una superficie igual o mayor a la

calculada segn la Ecuacin:

Donde:

Vmax: Mxima velocidad permitida, m/s.

Qmax: Escorrenta crtica o gasto mximo de

diseo, m3/s.

5.1 DISEO DE LA SECCIN TRANSVERSAL

Una vez conocidas las especificaciones de gasto

mximo, mxima velocidad permitida y rea

mnima, se deber realizar una serie de

iteraciones, de sucesivas secciones transversales,

a fin de encontrar aquella seccin que sea capaz

de trasladar de manera segura el caudal para el

cual se disea.

Se debe considerar, para una misma seccin

transversal, aqulla capaz de trasladar un mayor

caudal, es decir, la que posea el mayor radio

hidrulico (proporcin entre el rea transversal

Ac y el permetro mojado).

Para este fin se propone la metodologa que se

describe a continuacin:

a) Seleccin de rea, para la primera iteracin,

se recomienda utilizar un rea igual o

superior al rea mnima de diseo.

b) Determinacin de parmetros de la seccin

transversal base y taludes, segn las

condiciones del terreno.

c) Clculo de los parmetros 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

hidrulico (r) (Figura 3).

d) Asignacin de la pendiente del canal (segn

las condiciones del terreno) y determinacin

de un coeficiente de rugosidad n (Cuadro 3).

e) Clculo del caudal y velocidad de transporte

del canal.

8

Figura 3 Seccin transversal de un canal.

f) Si el canal no satisface las especificaciones

tcnicas, se procede a un nuevo diseo,

segn las opciones:

g) Modificacin de la pendiente y luego se

realiza nuevamente la prueba de control.

h) Modificacin de la seccin transversal (se

recomienda un aumento de un orden del 5-

10% respecto a la ltima iteracin),

volviendo a la secuencia a partir del punto b

de esta seccin.

Aprobadas las condicionantes tcnicas, el perfil

de canal podr ser implementado en terreno.

Clculo de los componentes de la seccin transversal

Los datos de entrada para el diseo del canal,

son los siguientes:

Ac = rea de seccin transversal del canal

(Superior al rea mnima).

b = base del canal.

Zinf = Talud inferior.

Zsup = Talud superior.

rea (Ac): rea de diseo; se recomienda utilizar

como primera iteracin el rea mnima de diseo

(Amn) o una levemente superior, y aumentar en

cada iteracin entre un 5 10 %, hasta encontrar

el diseo adecuado.

Base (b): Valor predefinido, normalmente igual

a 0.2 m.

Talud inferior y superior: Es importante en la

determinacin de los taludes del canal, que stos

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 conservacin

desarrolladas en suelos de texturas livianas

(arenosas), las cuales deben tener taludes

mayores.

Los taludes recomendados para la seccin

trapecial de un canal se muestran en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Taludes recomendados para la seccin trapecial

de un canal para diferentes tipos de suelo.

Material Talud (Z)

Roca completamente sana Vertical

Roca ligeramente alterada 0.25:1

Mampostera 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 frmula se hace la

determinacin de la altura de la seccin

transversal de un canal (d).

b:base

d:

Tir

an

te d

el

ca

na

l

Talu

d s

up

eri

or

Z:1

Perimetro mojado

Talu

d in

ferio

r Z:1

Longitu

d in

ferio

r: Lin

f

Lo

ng

itu

d s

up

eri

or:

Lsu

p

S.L.A=Superficie libre del agua

Area transversal

del canal

e=Libre bordo

9

( )

( )

(5)

Una vez calculada la altura se procede al clculo

de las siguientes componentes de la seccin

transversal del canal:

Clculo de la longitud de la superficie libre del

agua de la seccin transversal del canal de

llamada (L.S.L.A):

( ) ( )

Clculo de longitud de Talud inferior ( infL ):

( )

Clculo de longitud de taludes superiores ( supL ):

( )

Clculo del radio hidrulico (r) para una seccin

trapezoidal:

( )

Opcionalmente, para comprobar si los clculos

de los parmetros de la seccin transversal

fueron correctos, se recomienda calcular el rea

de la seccin transversal con la ecuacin 10, que

debiera ser igual al rea de diseo Ac.

Clculo de rea de la seccin transversal

Donde:

Ac = rea de la seccin 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 DISEADO

Una vez diseada la seccin 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 frmulas de Manning

(Arteaga, 2002).

Material Mnimo Normal Mximo

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

Mampostera seca 0.025 0.03 0.033

Mampostera 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 Mnimo Normal Mximo

Acero remachado en espiral 0.013 0.015 0.017

Con estos valores se calcula la velocidad y el

caudal que transportar el canal por medio de

las ecuaciones de Manning descritas a

continuacin:

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 hidrulico (rea transversal del canal,

m2; Ecuacin 9).

s = pendiente del canal, adimensional

Ac = rea del canal, m2 (Amn = 3).

5.3 PRUEBA DE CONTROL DE

ESPECIFICACIONES TCNICAS DEL

CANAL.

Obtenidos los valores del caudal y velocidad se

verifica si el diseo del canal se encuentra

realizado en concordancia con las

especificaciones tcnicas. De no ser as, se

deber realizar un nuevo diseo (modificando la

pendiente y/o la seccin transversal), que deber

someterse nuevamente a verificacin, y as

sucesivamente hasta encontrar el diseo

adecuado.

Clculo de la velocidad de una canal segn

Manning:

Condicionantes Tcnicas

De esta forma el diseo de un canal deber

cumplir con las siguientes especificaciones:

rea del canal, sea mayor o igual que el rea

mnima (A mn = Qmx/Vmx en donde Qmx =

gasto mximo; y Vmx: Velocidad mxima

permitida):

Gasto mximo (Qmx), sea menor que el caudal

Qc determinado para el canal diseado:

La velocidad del flujo del canal, sea menor

que la velocidad mxima permitida segn las

caractersticas del canal diseado (Vmx):

5.4 EJEMPLO DE DISEO

En base a lo que se describi, en los apartados

anteriores, se procede a hacer los clculos para

el diseo de un canal y se presentan como

ejemplo los resultados con datos obtenidos de

un levantamiento topogrfico, teniendo la

11

longitud total del cauce (Lc) del cual se desviar

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

desviacin.

Adems, 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 travs de la delimitacin del rea y de

un modelo digital de elevacin.

1) Clculo del gasto de diseo o gasto crtico.

Clculo de intensidad de precipitacin, mediante

la frmula de Kirpich.

(Tc) Tiempo de concentracin (min) 17.29

Coeficiente de duracin 0.52

Periodo de Retorno (aos) 10

Precipitacin (Pt) (mm) 26.42

Intensidad (I = mm/hr) 91.71

Gasto de diseo o crtico (m3/seg) 1.88

2) Diseo hidrulico y dimensionamiento

del canal.

Para este ejemplo se tiene un material de suelo

franco arcilloso y la velocidad mnima de acuerdo

al Cuadro 1, tiene una velocidad media de 0.9

m/s, con lo que da:

rea mnima de diseo (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, ngulo

y longitud de los taludes superior e inferior

respectivamente:

Longitud canal de

desviacin (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:

rea Seccin Transversal (m2) 1.52

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

Radio Hidrulico (m) 0.484

Se deduce la pendiente con la siguiente frmula:

[

]

n (canal propuesto; valor segn tabla) 0.023

Pendiente del canal (en decimal) 0.001

12

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

REQUERIMIENTOS TCNICOS CARACTERSTICA CANAL

DISEADO CONTROL

COMPROBACIN DE

CONDICIONANTES TCNICAS

rea Mnima (Q/V)

Q (esc. crtico): V (vel. Max. Permitida) 2.09 rea de diseo 1.53 REDISEO

rea Mnima >

rea de

Diseo 2.088

Q (esc. crtico)

Caudal mnimo del canal 1.88 Q caudal estimado 1.35 REDISEO

Escorrenta Crtica >

Q caudal

estimado (Mnima)

Mxima Velocidad permitida 0.90 V : Velocidad

estimada 0.88 ACEPTADO

Mxima 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 cimentacin del terrapln debe

banquearse como se muestra en la Figura 4.

La distancia AB vara de 4 a 5 veces el tirante

para suelos de grava de primera clase con

arcilla suficiente para asegurar cohesin, y de

8 a 10 veces para suelos ms ligeros o arcillosos.

En cualquier caso, el terrapln debe ser

suficientemente grande para prevenir fugas

excesivas y tubificacin, o bien, tener un corazn

impermeable o un revestimiento. En el clculo

del libre bordo del canal debe preverse el

asentamiento que va a sufrir el terrapln.

Sobre las laderas, el trazo del canal debe seguir

en lo posible las curvas de nivel del terreno, con

pendientes longitudinales que varen entre 0.001

y 0.002. De este modo, las curvas horizontales,

para cambiar la direccin 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

tamao apreciable. En ste ltimo caso,

laprofundidad del corte debe variar, pero

buscando la compensacin entre los tramos de

corte en exceso con los de relleno en dficit. Esto

implica que debe analizarse la curva masa para

mantener las distancias de acarreo en mrgenes

econmicamente viables.

Figura 4. Corte y relleno en ladera.

Es necesario considerar las condiciones

geolgicas del terreno, ya que influyen en forma

decisiva sobre la ubicacin del canal y la

determinacin de sus secciones transversales.

Por ellos se deben explorarse las formaciones

geolgicas, 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

cimentacin de los muros del canal y del relleno,

as como la extensin y calidad del

revestimiento.

7. METODOLOGA PARA EL TRAZO DE

UN CANAL CON CIVIL CAD

Cuando se trata de trazar un canal de llamada es

necesario recolectar la informacin que pueda

conjugarse para su buen trazo:

a) Fotografas areas para localizar el rea

de estudio.

b) Planos topogrficos y catastrales.

c) Estudios geolgicos, suelos y vegetacin.

Una vez obtenida la informacin cartogrfica

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 informacin topogrfica

bsica se procede a levantar el relieve por donde

pasar el canal, procediendo con los siguientes

pasos:

d) Reconocimiento del terreno

Se recorre la zona anotando todos los detalles

que influyen en la determinacin 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

topogrfica, clavando en el terreno las estacas de

la poligonal preliminar y luego el levantamiento

con equipo topogrfico. Posteriormente a este

levantamiento se nivelar la poligonal y se har

el levantamiento de secciones transversales.

Estas secciones se harn de acuerdo a criterio, si

es un terreno con una alta distorsin de relieve,

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

muestra muchas variaciones y es uniforme la

seccin, mximo 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 bsicamente de la

topografa de la zona y de la precisin que se

desea.

La metodologa que se explica a continuacin, es

para datos obtenidos de un levantamiento

topogrfico de parcelamiento con coordenadas

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

AutoCad y CivilCad, para obtener volmenes con

una seccin de canal tipo trapezoidal.

Es importante destacar que habr algunos pasos

que no se detallarn, ya que se exponen en el

Instructivo de Topografa para Obras COUSSA.

Primero se debe definir la pendiente de diseo,

las caractersticas geomtricas y las propiedades

hidrulicas del canal.

Importar puntos

Con el CivilCad se establece estilo y tamao de

letra para proceder a importar las coordenadas

del levantamiento; en seguida se identifican los

puntos correspondientes a las parcelas y se unen

stos con polilneas para obtener los polgonos

del parcelamiento (Figura 5).

14

Figura 5. Unin de puntos.

Triangulacin

Esto hace posible poder dibujar los puntos de

proyecto con coordenadas XYZ y producir la

triangulacin y curvas de nivel de proyecto

(Figura 6).

Figura 6. Triangulacin.

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.

Ubicacin del canal

Trazar con una polilnea por dnde va a estar la

ubicacin del canal; es importante tomar en

cuenta la pendiente del terreno en base a las

curvas de nivel (Figura 8).

Figura 8. Ubicacin 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 estacin 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 automtica o manual, usando las

siguientes instrucciones: CivilCad, Altimetra,

Perfiles, Anotar, Pendiente (Figura 11).

Seleccionar el perfil, indicar Manual (M), elegir

primer punto (estacin 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 kilmetro que se

avanza debe de bajar cierto desnivel y as 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 polilnea con el desnivel en el perfil

generado. Dicha polilnea ser llamada perfil del

CADENAMIENTO

DATOS DE ESTACIN ESCALA

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL TERRENO PENDIENTE

ESCALA DATOS DE ESTACIN

PUNTO 1

DESNIVEL

PUNTO 2

16

proyecto, que no se debe de colocar en el

misma elevacin 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

prctico, y obtener cortes y rellenos; una tercera

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

generar una polilnea vertical (0.37m), tal como

se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Ubicacin 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 excavacin, por lo que se recomienda, en

el perfil del proyecto, cadas hidrulicas, segn lo

requiera la topografa (Figura 15).

Figura 15. Volumen de relleno excesivo en la ubicacin

del perfil del proyecto con respecto al de terreno.

Una vez identificadas las cadas, dibujar con

polilnea el nuevo perfil del proyecto (Figura 16).

Convertir la polyline que se dibuj con cadas a

perfil de proyecto.

El perfil de proyecto define la elevacin de las

rasantes o subrasantes de proyecto. El programa

calcula la elevacin inicial y final de rasantes del

perfil si ya estn definidas o condicionadas, en

caso contrario utiliza como referencia la

elevacin inicial y final del perfil de terreno; se

llevan a cabo las siguientes instrucciones:

CivilCad, Altimetra, Perfiles, Proyecto, Convertir

(Figura 17).

Seleccionar perfil del proyecto y perfil de

terreno.

Copiar nicamente perfil de terreno del

proyecto, en otro apartado, para generar la

retcula y obtener los datos necesarios para

generar el volumen de cortes y rellenos.

Retcula

Civil Cad, Altimetra, Perfiles, Retcula (Figura 18).

Al activar la secuencia de retcula, muestra la

caja de dilogo, 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 cadas.

Figura 17. Secuencia para convertir perfil con cadas a

perfil del proyecto.

Figura 18. Secuencia para generar retcula en perfil.

Figura 19. Caja de dilogo para retcula en perfiles.

COPIA PERFIL DEL PROYECTO

PERFIL DEL TERRENO

PERFIL DEL PROYECTO CON CADA

PERFIL DEL PROYECTO

18

Seleccionar perfil del terreno y del proyecto

(Figura 20).

Figura 20. Seleccin de perfiles para generar retcula.

El programa de CivilCad genera el perfil con

retcula en el que muestra terrapln, corte,

subrasante y terreno (Figura 21).

Figura 21. Perfil con retcula, terrapln, 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

unin usamos: CivilCad, Puntos, Terreno, Unir

(Figura 22).

Figura 22. Secuencia para unir puntos.

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

e indicar el punto inicial (Figura 23).

19

Figura 23. Unin de puntos considerando elevacin.

Mostrar el siguiente punto, y as sucesivamente;

ello va generando una serie de polilneas sobre

las cuales se insertarn 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 enumerarn los puntos por lo

que se marca No (N).

Se introducen los puntos encima de las polilneas

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 posicin del

punto (Figura 28).

Figura 24. Secuencia para insertar puntos.

Figura 25. Insercin de puntos.

20

Figura 26. Serie de polilneas con puntos insertados.

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

perfil sobre la interseccin de las polilneas 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 dilogo (Figura

29).

Figura 29. Seccin transversal generada.

Cortes y rellenos

Para obtener cortes y rellenos, es necesario

dibujar la seccin tipo con sus caractersticas

geomtricas (Figura 30).

Figura 30. Caractersticas geomtricas del canal para

obtener volumetra.

Verificar en la seccin la elevacin del terreno

natural con respecto a la elevacin del perfil en

21

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

tiene una elevacin en la seccin de 1765.12

menos la que nos marca el perfil de 1764.93 es

igual a 0.19.

Entonces en la seccin 0+000 hacer un offset

(desfase) de 0.19 y ubicar la seccin tipo.

Figura 31. Offset con respecto a la elevacin del terreno

natural con el perfil de la subrasante.

Eliminar el desfase generado, ya que solo sirve

para guiarse y colocar la seccin tipo del canal.

Convertir la seccin tipo de canal a seccin de

proyecto, a travs de: CivilCad, Secciones,

Proyecto, Convertir (Figura 32).

Seleccionar seccin de proyecto y de terreno

(Figura 33).

La seccin se convierte a proyecto. Lo que sigue

es anotar (CivilCad, Secciones, Anotar) datos en

secciones de proyecto en forma manual o

automtica (Figura 34).

Figura 32. Secuencia para convertir seccin tipo a

proyecto.

Figura 33. Seleccin de seccin de proyecto y de terreno.

SECCIN TIPO DEL CANAL

SECCIN DEL TERRENO

OFFSET DE 0.19

22

Figura 34. Secuencia para anotar datos en secciones.

Al activar esta rutina, aparece la siguiente caja

de dilogo, en la que se indicarn los datos

que se requieran y que aparezcan en cada una

de las secciones (Figura 35).

Figura 35 Caja de dilogo para anotar datos en secciones.

Los datos que pueden anotarse manual o

automticamente son: pendiente, talud, offset,

rasante, elevacin de terreno natural y rea.

Se puede especificar un rango de valores para

considerar la pendiente como talud, indicando

la relacin horizontal/vertical. Los prefijos que

se anteponen a los datos anotados pueden

modificarse en la caja de dilogo

correspondiente.

Seleccionar la seccin del canal y seccin de

terreno; en seguida aparecer la seccin con los

datos seleccionados en la caja de dilogo de

secciones (Figura 36).

Figura 36. Seccin con volumetra.

El procedimiento para obtener rea de terrapln

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

secciones.

En una hoja de EXCEL, se suman las reas de

cada seccin y se obtiene el volumen total de

terrapln y corte, como se muestra en el

siguiente ejemplo:

23

Estacin rea de

terrapln 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

Estacin rea 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. BIBLIOGRAFA

ArqCOM. 2011. Ayuda de usuario para CivilCad y

AutoCad.

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

Departamento de Irrigacin, UACh, Mxico.

DGOP. 2002. Manual de carreteras, Instrucciones

y criterios de diseo, Volumen 3. Direccin

General de Obras Pblicas, Direccin de Vialidad,

Ministerio de obras pblicas, Chile.

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

Mxico.

ELABORARON:

Dr. Mario R. Martnez Menes Dr. Demetrio S. Fernndez Reynoso Ing. Ma. Clara Elena Mendoza Gonzlez Ing. Rodiberto Salas Martnez Ing. Hilario Ramrez Cruz

Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la

Unidad Tcnica Especializada (UTE) COUSSA

www.coussa.mx

Dr. Mario R. Martnez Menes mmario@colpos.mx Dr. Demetrio S. Fernndez Reynoso demetrio@colpos.mx Telfono: (01) 595 95 5 49 92

Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, Mxico.

24

ANEXO 1.

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

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

Transferencia de informacin hidromtrica y climatolgica de cuencas vecinas,

hidrolgicamente homogneas.

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

la relacin de volumen escurrido anualmente (Ve), entre el volumen de precipitacin anual

(Vp) correspondiente.

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

obtenidos en la cuenca vecina, se establece una correlacin grfica o su ecuacin matemtica.

Con apoyo de la ecuacin matemtica o en la grfica -y al utilizar los valores del volumen de

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

anuales de escurrimiento.

En funcin del tipo y uso de suelo y del volumen de precipitacin anual, de la cuenca en

estudio.

A falta de informacin especfica, con apoyo a los servicios del Instituto Nacional de

Estadstica, Geografa e Informtica (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 parmetro K.

25

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

TIPO DE SUELO CARACTERSTICAS

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, reas incultas y desnudas Cultivos: En hilera Legumbres o rotacin de praderas Granos pequeos Pastizales: % del suelo cubierto o pastoreo Ms del 75% poco Del 50 al 75% regular Menos del 50% excesivo Bosque: Cubierto ms 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 homogneas 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: PARMETRO 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 = precipitacin anual, en mm.

El rango donde las frmulas se consideran validas es para valores de precipitacin anual entre 350 y

2150 mm.

26

La transpiracin est incluida en el coeficiente de escurrimiento.

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

escurrimiento, stos se podrn usar para el clculo del escurrimiento.

Informacin requerida:

Procedimiento de clculo y metodologa para determinar la precipitacin media anual en la

cuenca.

Procedimiento de estimacin y consideraciones para determinar el coeficiente de

escurrimiento.

Relacin de las estaciones climatolgicas utilizadas para determinar los escurrimientos,

indicando sus coordenadas geogrficas, as como las entidades federativas a las que

pertenecen, poblaciones prximas importantes y cualquier otra informacin de utilidad que

permita hacer ms claro el clculo del volumen anual de escurrimiento natural.

En el caso de que en la cuenca en estudio no cuente con suficiente informacin hidromtrica ni

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

indirectamente transfiriendo la informacin de otras cuencas vecinas de la regin, mismas que se

consideran homogneas y que cuentan con suficiente informacin hidromtrica o pluviomtrica; para

ello se requiere la siguiente informacin:

Nombre y rea la de cuenca hidrolgica o subcuenta en estudio.

Ubicacin de la cuenca hidrolgica en cartas hidrogrficas, indicando su localizacin con

respecto a la regin o subregin hidrolgica y entidades federativas a las que pertenece.

Nombre de las estaciones hidromtricas y su ubicacin sobre el cauce principal.

Volmenes de extraccin de la cuenca hidrolgica en estudio y sus diversos usos.

Notas aclaratorias necesarias.

Informacin pluviomtrica e hidromtrica de por lo menos 20 aos de registro.

Descripcin del mtodo aplicado, as como la justificacin de su empleo en esa cuenca,

subcuenca o punto especfico.

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

escurrimiento.

Resultados de las pruebas de homogeneidad hidrolgica, climatolgica, y fisiogrfica de las

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