Los canales son elementos que transportan agua abiertos en superficie, sin presión, es decir, en contacto continuo con la atmósfera. La hidráulica de estas obras se determina por el movimiento del agua que ocurre gracias a su propio peso, sin consumo de energía y aprovechando la fuerza de la gravedad y las características geométricas del mismo. En el caso de los canales naturales y de las acequias, es posible asociar su forma a la de un canal artificial regular para aplicar ecuaciones hidráulicas.
Geometría de un canal
Existen varios conceptos y definiciones básicas de la geometría de un canal con los que hay que familiarizarse.
- Tirante hidráulico, profundidad de flujo o calado (Y). Es la profundidad máxima del agua en el canal.
- Espejo de agua o Ancho superficial (T). Es el ancho de la superficie libre del agua.
- Talud (Z). Medida de la inclinación de la pared lateral. Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1. Por ejemplo, si un canal tiene talud 2:1, significa que la proyección horizontal de la pared lateral es 2 veces mayor que la proyección vertical que es 1; por lo tanto, su Z = 2. El talud de un canal debe ser mayor o menor en función del material con, o en, el que se construye.
- Coeficiente de rugosidad (n). Depende del tipo de material en que se aloje el canal o su revestimiento. A mayor rugosidad del canal, la velocidad es menor y se requiere una mayor energía para que el agua se desplace.
- Pendiente (i). Es la pendiente longitudinal de la rasante de fondo del canal.
- Área hidráulica (A). Es la superficie de una sección transversal del canal.
- Perímetro mojado (P). Es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes y fondo del canal.
- Radio hidráulico (Rh). Es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado.
\(R_h=\frac{A}{P}\)
- Tirante medio (Ym). Es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua.
\(Y_m=\frac{A}{T}\)
- Revancha (R). Es la distancia vertical que hay desde la superficie libre del agua hasta el nivel del borde superior de la pared del canal.
- Secciones. Existen diversos tipos de secciones de los canales (figura 4), como triangular, trapezoidal, rectangular, circular (tubería no llena) o irregular como es el caso de un cauce natural.
Flujo en canales abiertos
En canales abiertos, el flujo es causado por la fuerza de gravedad que actúa sobre el agua. A medida que el flujo se mueve aguas abajo, se produce una progresiva disminución de la altura de la lámina de agua.
Ecuación de Manning
La ecuación de Manning es la más utilizada para cuantificar el flujo en un canal abierto. En esta se considera que el agua se mueve desde un punto de mayor nivel de energía (con más carga hidráulica) hacia uno de menor energía. En esta expresión, el caudal de circulación depende de la geometría de la sección, la pendiente del caudal y la rugosidad de las paredes y fondo. De forma que:
\(Q=\frac{\sqrt i}{n}\times A\times R_h^{2/3}\)
Donde:
- Q: Caudal (m3/s).
- i: Pendiente del canal (m/m).
- A: Área de la sección (m²).
- Rh: Radio hidráulico de la sección (m).
- n: Coeficiente de rugosidad de Manning.
El coeficiente de rugosidad de Manning depende de la composición de material que forma las paredes y el fondo del canal y de su estado de mantenimiento. En la tabla 1, se indican los coeficientes de rugosidad de Manning para los materiales más usuales en la construcción de canales abiertos.
| CANAL | COEFICIENTE MANNING (n) |
| Sin revestir: | |
| Excavado en tierra | 0,022 - 0,030 |
| En roca lisa | 0,030 - 0,040 |
| Lecho pedregoso | 0,030 - 0,040 |
| Roca con salientes | 0,035 - 0,050 |
| Revestidos: | |
| Revestido de hormigón | 0,013 - 0,016 |
| Suelo - cemento | 0,013 - 0,016 |
| Hormigón proyectado | 0,013 - 0,016 |
| Hormigón prefabricado | 0,013 - 0,020 |
| Ladrillos | 0,013 - 0,018 |
| Mampostería de piedras | 0,018 - 0,025 |
| Membrana descubierta | 0,010 - 0,020 |
| Membrana cubierta | 0,015 - 0,025 |
| Asfalto | 0,013 - 0,018 |
| Metal (acero liso) | 0,010 - 0,016 |
| Metal (acero corrugado) | 0,020 - 0,030 |
| Madera | 0,010 - 0,015 |
Tabla 1. Coeficientes de rugosidad de Manning
Recomendaciones técnicas
En la tabla 2 se encuentran las velocidades máximas recomendadas según los materiales que revisten el canal. En canales excavados en materiales detríticos (arenas, gravas, conglomerados…), una elevada velocidad de circulación del agua puede erosionar las paredes y la base del canal. En todo caso, si con las velocidades recomendadas se produce un arrastre de sólidos, se recomienda reducir esa velocidad a la mitad.
| CANAL | VELOCIDAD (m/s) |
| Sin revestir: | |
| Roca sana | 4,5 |
| Arcillas | 1,0 |
| Conglomerado firme | 2,5 |
| Toscas | 2,5 |
| Arena | 0,5 |
| Ripio conglomerado | 2,0 |
| Limos | 0,4 |
| Revestidos: | |
| Hormigón | 4,0 |
| Cemento | 3,5 |
Tabla 2. Velocidades máximas aceptables en canales
La litología del terreno donde se excava el canal también condiciona la geometría del canal. En la tabla 3 se presentan los taludes máximos recomendados en función del terreno.
| MATERIAL | TALUD |
| Roca | 1:2 |
| Tosca | 3:4 |
| Arcilla | 1:1 |
| Arena | 2:1 |
| Limo | 2,5:1 |
Tabla 3. Taludes máximos de las paredes del canal recomendados en función del tipo de terreno en el que se excava el canal.
Además de la velocidad y el talud, también es recomendable dejar una revancha de canal comprendida entre ciertos valores (Tabla 4)
| TAMAÑO CANAL | CAUDAL | REVANCHA | MÍNIMO | MÁXIMO |
| Pequeño | Q < 2,0 m³/s | 15% de la altura máxima de agua | 20 cm | 50 cm |
| Grande | Q > 2,0 m³/s | 20% de la altura máxima de agua | 30 cm | 50 cm |
Tabla 4. Recomendaciones técnicas de la revancha mínima y máxima en un canal abierto.
Distribución de velocidades en la sección de un canal.
El rozamiento del fluido en las paredes del canal y la lámina de agua libre que contacta con la atmósfera reducen la velocidad del fluido, por lo que esta no se distribuye de forma uniforme en toda la sección. En un canal de hormigón de paredes verticales, la velocidad máxima se suele encontrar en la vertical central, cerca de la superficie libre (figura 5).
