diseño de canales i y ii

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA APUNTES DE CLASES ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO

CURSO DE IRRIGACIN Y DRENAJE

OBRAS DE CONDUCCION

CANALES:

Se llaman canales a los cauces artificiales de forman regular que sirven para conducir

agua. El flujo del agua se produce sin presin; o sea, siempre existe una superficie

libre en el cual se tiene la presin atmosfrica. Puede por lo tanto considerarse canal

cualquier conducto cerrado, como un tubo o tnel que se encuentra funcionando

parcialmente lleno.

Se llaman canales abiertos a los conductos que van a cielo abierto, es decir aquellas

que se excavan a media ladera por lo general, y el material excavado de ser posible

se utiliza en el relleno del labio inferior. Se llaman tneles a los conductos que se

excavan bajo tierra con el objeto de atravesar una loma.

CRITERIOS PARA EL TRAZADO:

El criterio que dirige el trazado de los canales o tneles y la seleccin de una u otra

posibilidad es el de conseguir la mayor eficiencia hidrulica y seguridad de las obras

con el menor costo.

El trazado de trabajo es similar a la que se realiza para carreteras, con la principal

diferencia de que la pendiente longitudinal de un canal debe ser siempre positiva

(bajando en la direccin del movimiento del agua) y puede variar solo dentro de

ciertos lmites.

Por lo general, el sitio de la iniciacin de la utilizacin del agua, como tanque de

presin (Riego por Aspersin y/o goteo), comienzo de la zona de riego, etc. Esta

establecida y desde all se traza la lnea de gradiente hacia el ro para determinar la

ubicacin de las obras de toma.

La gradiente del canal es forzosamente menor que la del ri y mientras menor es la

primera, mas larga resulta la longitud del canal y mayor el costo. A la inversa, un

canal disminuye de seccin y consiguientemente de costo con el aumento de la

gradiente.

1


Si se traza la lnea del canal desde la toma hasta el sitio donde se utilizara el agua,

siguiendo las lneas de nivel del terreno y descendiendo el numero de metros por

kilmetros que da la gradiente escogida, se puede obtener un resultado sumamente

tortuoso, que puede tener una longitud dos o tres veces mayor que la lnea recta que

une los dos puntos.

Por eso debe estudiarse la posibilidad de rectificar la alineacin acortando su longitud

por medio de tneles, acueductos, rellenos u otros tipos de obras. En cada caso es

necesario comparar el costo de las distintas alternativas. Los tneles se construyen

cuando representan una solucin ms econmica o ms estable que un canal abierto.

Si la pendiente transversal del terreno es muy fuerte (45 o mas), entonces el

volumen de excavacin de la plataforma se hace tan grande que resulta mas

econmica hacer un tnel.

Tambin cuando el canal debe contornear una loma muy pronunciada, muchas veces

se puede reducir considerablemente la longitud por medio de un tnel que atraviesa

la loma de un lado a otro.

El tnel se construye cuando la longitud de recorrido de un canal es mayor a 2.5

longitud del tnel

Al comparar los costos de un canal con un canal, es necesario tomar en cuenta no

solo las inversiones, sino tambin los tiempos de construccin Un tnel puede costar

mucho menos que un canal, pero su construccin tendr un avance de 1 metro hasta

5 metros por un da, lo cual si tiene gran longitud demorara mucho tiempo en

completarse.

2


SECCION TRANSVERSAL:

Al realizar el diseo de un canal, generalmente son dados el caudal Q que se desea

conducir y la gradiente de la que se dispone y que puede variar dentro de ciertos

lmites. Tambin se conoce el coeficiente de rugosidad que depender del tipo de

revestimiento que se escoja.

El rea mojada se calcula en funcin de la velocidad aceptable en el canal. Esta

generalmente vara de 0.60 m/s y 3 m/s para evitar la sedimentacin y la erosin.

La forma de la seccin ptima, hidrulicamente hablando, es aquella que con su

superficie mojada mnima, conduzca el caudal mximo. La seccin que tiene las

mejores caractersticas hidrulicas es semicircular pero es relativamente difcil de

construir y generalmente carece de estabilidad. Por este motivo la forma de seccin

mas usada en canales es la trapezoidal, tal como se muestra en la figura anterior.

CLASIFICACION DE LOS CANALES

DE ACUERDO A SU ORIGEN:

NATURALES.-

ARTIFICIALES.-

3


SEGN LA SECCION.-

RECTANGULARES

TRAPEZOIDALES

TRIANGULARES

CIRCULARES

HERRADURA (HORSE-SHOE)

SEGN LA FUNCION QUE CUMPLEN.-

CANAL DE DERIVACION

CANAL MADRE O PRINCIPAL

CANALES DISTRIBUTARIOS

DRENES

ELEMENTOS DE UN CANAL:

GEOMETRICOS CINETICOS DINAMICOS

Tirante =d v= n =

Area =d (b+zd) Q= s = hf/L

Permetro= b+2d1+Z2

Ancho Fondo =b

Ancho Superficial = B=b+2zd

CRITERIOS DE DISEO PARA CANLES DE FLUJO UNIFORME

En el diseo hidrulico de los canales, se debe tener en cuenta las leyes de la

hidrulica y los criterios siguientes a continuacin:

a) VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION.- Durante el diseo hay que tener en cuenta

el hecho de que las velocidades de la corriente del agua en el canal excesivamente

grande, pueden actuar de una manera destructiva sobre el fondo y las paredes de

este. La velocidad media del agua en el canal debe ser menor que la velocidad de

socavacin.

En el cuadro siguiente se dan las velocidades admisibles lmites en funcin de los

suelos y el tipo de revestimiento en los cuales discurre el agua:

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VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION

CARACTERISTICAS DEL SUELO

O DEL REVESTIMIENTO DEL CANAL

VELOCIDADES

MAXIMAS

EN M/S- Suelo Limoso, Turba descompuesta

Arena Arcillosa suelta, arcillas

blandas

Turba Fibrosa poca descompuesta

Arcilla arenosa madias y compactas

Arcillas duras

Encespedado

Conglomerado

Madera cepillada

Concreto fc 140 Kg/cm2

Concreto fc 210 Kg/cm2

Plancha de acero

0.25-0.50

0.70-0.80

0.70-1.00

1.00-1.20

1.20-1.80

0.80-1.00

1.80-2.40

6.00-6.50

3.80-4.40

6.60-7.40

12.00-30.00

b) VELOCIDAD MINIMA DE SEDIMENTACION.-

Otro de los problemas que tiene que afrontar el ingeniero hidrulico al proyectar

canales consiste en el transporte de los sedimentos.

La velocidad demasiada baja produce el depsito de los sedimentos, disminuyendo la

seccin del canal y a veces asolvandolo por completo.

La correccin de estos defectos es costosa y por eso desde hace mucho tiempo se

ha estudiado la forma de crear un canal estable.

Por definicin un canal estable, es aquel en el que no se presenta ni erosin ni

sedimentacin (asolvamiento).

El primer estudio sobre canales estables fue publicado por Robert G. Kennedy, en

base a proyectos de irrigacin de ISRAEL, LA INDIA, LA UNIN SOVITICA y los

EE.UU., llegando a establecer la siguiente expresin como velocidad limite que no

produce sedimentacin:

5


Vo = h 0.64

Vo = Velocidad media limite que no produce asolvamiento (m/s).

= Coeficiente que depende del material en suspensin

h = Profundidad del agua (mts)

COEFICIENTES DE SEDIMENTACION

Material en Suspensin Valores

Arcilla muy fina 0.59

Arena muy fina 0.58

Barro arenoso 0.64

Arcilla Gruesa 0.70

c) RELACION DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA:

Entre las diferentes secciones que pueden adaptarse en el diseo de los canales,

algunas secciones tienen condiciones llamadas de Mximas Eficiencia Hidrulica, son

aquellas que para un mismo gasto, pendiente y revestimiento, requieren un rea

mojada mnima.

Se deduce que a igualdad de seccin mojada, el caudal es tanto mayor cuanto mayor

es el radio hidrulico o lo que es lo mismo, cuanto menor es el permetro. Se puede

por lo tanto determinar las dimensiones hidrulicas ms ventajosas para distintas

formas de canales.

As tenemos para una seccin trapezoidal:

A=d(b+zd) b = A/d zd reemplazando en P:

P=b+2d1+Z2 P=A/d - Zd+2d1+Z2=0

El mximo gasto a igualdad de seccin se produce cuando el permetro es mnimo.

Derivando la ecuacin e igualando a cero.

P/d = -A/d2 Z + 21+Z2 = 0

De donde Obtenemos:

A/d2 = 21+Z2 Z

Definiendo X, a la relacin b/d, se obtiene: X = 2(1+Z2 Z)

Establecindose el siguiente cuadro para diversas secciones de canal.

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TALUD

Z0 1:1 :1 :1 1:1 2:1 3:1 Circulares

Horse-

ShoeX = b/d 2.00 0.83 1.56 1.24 0.61 0.47 0.32 0.80 0.82

d) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD:

Es la resistencia al escurrimiento del agua que presentan los revestimientos de los

canales artificiales y naturaleza de los cauces en los conductos naturales.

En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muy variable dependiendo de

la topografa, geologa y vegetacin, variando con las estaciones del ao, se pueden

presentar casos en que las riberas del cauce sean de un material diferente al fondo,

el valor de n ser el promedio. En la practica de la Ingeniera, la seccin transversal

natural se sustituye, para facilitar la ejecucin de los clculos, por una seccin

transversal de forma regular, cuya area es igual a la natural (Ver grficos) seccin

rectangular en cauce relativamente anchos Rh b A = Bh P = B+2h

En las especificaciones tcnicas se indicara la rugosidad del canal, especificando el

envejecimiento a que estar sometido.

Ejemplo:

Concreto n= 0.012, indicando que tendr que repararse cada 5 aos para mantener la

rugosidad, si no ocurre, el tirante aumenta conforme aumenta la rugosidad de diseo.

VALORES DE n DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS

FORMULAS DE KUTTER Y MANING

SUPERFICIE BUENA MALALadrillo Vitrificado 0.012 0.014

Acabado de cemento liso 0.011 0.013

Mortero de cemento 0.012 0.015

Madera cepillada 0.012 0.014

Concreto 0.014 0.018

Piedras grandes, guijarro 0.030 0.035

Metal liso 0.012 0.015

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Cemento y mampostera 0.020 0.030

De tierra rectos 0.020 0.025

De piedra uniforme 0.030 0.035

De tierra con vegetacin 0.030 0.040

Tierra con vegetacin y piedras 0.033 0.040

Con depresiones y vegetacin 0.060 0.080

e) TALUDES RECOMENDADOS:

La inclinacin de las paredes de los canales dependen de la geologa de los terrenos

que atraviesan, por lo cual el ingeniero al efectuar el trazo de los canales recomienda

los taludes ms favorables, de acuerdo a su observacin visual o con las calicatas

que pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materiales.

Los taludes empleados se muestran en el siguiente cuadro:

TALUDES RECOMENDADOSPARA CORTES EN TALUD

- Conglomerado 1:1

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- Suelos arcillosos

- Suelos areno limoso

- Suelos arenosos

- Suelos arenosos sueltos

- Roca alterada suelta

- Roca sana

- Tierra vegetal, arcilla

- Suelo arenoso

1:1

1.5:1

2:1

3:1

0.5:1

0.25:1

1.5:1

3:1

f) RADIOS DE CURVATURA MINIMOS:

Para el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de

curvatura mnimo, de acuerdo al diseo elegido. Se recomienda que varias entre los

siguientes valores:

Rc 10d ~ 15d

y/o Rc 3B ~ 5B

En el caso de canales con flujos de velocidades altas ser necesario calcular la

mayor elevacin que se produce por el cambio de direccin en el lado exterior de la

curva, lo cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal.

El peraltamiento se calcula con la siguiente expresin:

P = v2 B / g Rc

Donde:

P = Peraltamiento en mts.

V = Velocidad en m/s

B = Ancho del espejo de agua en mts.

G = gravedad en m/s2

Rc = Radio de curvatura en mts.

EJEMPLO DE SECCIN DE MXIMA EFICIENCIA HIDRULICA.-

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Supongamos que necesitamos conducir un canal: Q = 3 m3/seg con una gradiente S

= 0.0009 y un coeficiente de rugosidad n = 0.020. Se puede encontrar la seccin y la

forma ms econmica, si el terreno es plano?

Usando la frmula de Manning, tendramos:

ASRn

Q 21

321

=

AR 03.0503 32

=

32

2 = RA

Los valores para los diferentes tipos de seccin de mxima eficiencia hidrulica

se presentan a continuacin en forma tabulada:

Se observa que tanto la seccin como el permetro tienen valores mnimos

para el semicrculo. Sin embargo debido a la dificultad de su construccin, en la

mayora los casos se prefiere las secciones trapezoidales.

g) BORDES LIBRES (FREE BOARD).-

Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional denominada

Borde Libre, con objeto de evitar desbordamientos por mala operacin de

SECCIN REA APERMETRO

P

TIRANTE

dRectngulo

Tringulo

Semicrculo

Trapezoidal, z = 0.577

Trapezoidal, z = 0.050

2.828

2.828

2.660

2.729

2.730

4.760

4.760

4.084

4.347

4.353

1.19

1.68

1.30

1.26

1.25

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compuertas, derrumbes o por olas debido al viento que pueden poner en peligro la

estabilidad del canal.

No existe una norma nica para establecer el valor del borde libre, pero por

lo general vara entre el 5% y el 30% del calado, y es tanto mayor cuanto mayor

es el caudal y la velocidad en el canal.

En canales pequeos Q 2 m3/seg; Para canales mayores Q > 2 m3/seg

Se recomienda usar fb = 0.30 mt fb= 0.60 + 0.0037 V3 d (mt)

Donde: fb = borde libre en mt

v = velocidad del flujo m/seg

d = tirante mt

h) TIRANTES CRTICOS.-

El tirante crtico dc, es aquel para el cual la energa especfica es mnima,

coincidentemente con este tirante el rgimen lento o subcrtico pasa a rgimen

rpido o supercrtico.

EL N de Froude determina la condicin de flujo:

N < 1 ; existe flujo subcrtico

N = 1 ; existe flujo crtico

N > 1 ; existe flujo supercrtico

Cuando el flujo est prximo a ser crtico, la superficie del agua se hace

inestable, produciendo olas.

Tirantes crticos para tipo de seccin de canal:

Triangular : )2

(54 2 d

gV

d c +=

Rectangular : )2

(54 2 d

gV

d c += o gq 2

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Trapezoidal : )2

(5

4 2 dg

VfB

Bd c +++

=

i) LONGITUD DE TRANSICIN.-

Debido a los cambios de seccin en el trazo de los canales, es necesario

efectuar transiciones entre ellos para asegurar un flujo lo ms uniforme posible.

La longitud de transicin recomendable est dada por:

)(5.2 12 BBL = , donde B2 y B1, son los anchos de los espejos de agua (mt)

aguas abajo y aguas arriba respectivamente.

El Bureau of Reclamation recomienda que el ngulo mximo entre el eje del

canal y una lnea que une los lados de la transicin a la entrada y a la salida no

exceda de 12.5, esto permite determinar la longitud de transicin.

=

5.12212

TgBB

L

Ej: Canal de seccin circular a trapezoidal

Longitud

segn

3 mt Frmula

aprox.

j) FILTRACIN DE CANALES.-

La filtracin de agua en los canales siempre ocurre, por lo que el problema

no puede ser considerado con indiferencia, pues al no llegar toda el agua a las

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zonas de riesgo, se reduce la eficiencia del sistema con las consiguientes

prdidas econmicas. Adems la filtracin en los canales no solamente representa

prdidas de agua valiosa para los cultivos, sino que invariablemente resulta en la

elevacin del nivel de las aguas freticas, pudiendo causar efectos perjudiciales

para las plantas, salinizacin del suelo, exigiendo a menudo la construccin de

costosos sistemas de drenaje.

j-1) Factores Que Afectan La Filtracin:

Es fcil ver que la filtracin en los canales depende de muchos factores,

entre los que podemos citar:

- La permeabilidad del suelo.

- El tirante del agua en el canal

- Temperatura

- Edad del canal

- Caudal P = K/Q (Kostiakov)

Caudal m3/seg Perdida en % del caudal x

km

0.1 0.2

0.2 0.5

0.5 1.0

1.0 2.0

2.0 10.0

10.0 50.0

50.0 200.0

12 - 9

9 - 6

6 - 4

4.5 - 2.5

2.5 - 0.6

0.6 - 0.2

0.2 - 0.05

j-2) Frmulas utilizadas para canales revestidos:

Existen varias frmulas para el clculo de la cantidad de agua perdida

por filtracin en canales. De estas, las ms conocidas en el sistema mtrico

son:

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1. FORMULA DE T. INGHAM.- Desarrollado por el autor en 1896 en

base a observaciones en canales de la India.

)2(0025.0 dzbdP += P = prdidas en m3/seg . km

d = Tirante mt

b = ancho del fondo

z = tangente del ngulo del talud con

la vertical

2. FORMULA DE PAVLOVSKI (1924).-

( )[ ]zdbKP ++= 12000,1 ; K es el coeficiente de permeabilidad m/seg.

3. FORMULA DE PUNJAB.- Actualmente usada (1967)

53.0QCP P= ; siendo Q el caudal en m3/seg y CP un

valor que vara segn el suelo.

- Suelos muy permeables 0.03

- Suelos comunes 0.02

- Suelos impermeables 0.01

4. FORMULA DE E.A. MORITZ.- Usada en los EE.UU. (1951)

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0375,0 ACP m=

donde A , es la superficie mojada

Cm, coeficiente que depende del material en el que est

excavado el canal, tiene los siguientes valores:

- Franco Arcilloso 0.08 ~ 0.30

- Franco Arenoso 0.30 ~ 0.45

- Arenas sucias 0.45 ~ 0.55

- Arenas y Gravas 0.55 ~ 0.80

- Concreto 0.10

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j-3) Prdidas en Canales Revestidos:

De acuerdo a Davis, todo canal debe ser revestido cuando las prdidas

por filtracin exceden de 0.46 m/da (5.32 x 10-4 cm/seg)

El revestimiento de un canal no elimina completamente las prdidas por

filtracin. Segn Uginchus, las prdidas en un canal revestido pueden

obtenerse multiplicando por un factor las prdidas que se producen en el

mismo canal no revestido. Para el caso de un revestimiento de concreto de

7.5 cm, se ha encontrado que el coeficiente es igual a 0.13, o sea que las

prdidas se reducen a la octava parte.

Tambin puede utilizar la frmula:

)1( 2zdbtdKP ++= , donde:

K = Permeabilidad de revestimiento del concreto, que vara de 10-5 cm/seg a

10-7 cm/seg

t = espesor del revestimiento

Ejemplo 1:

Se tiene un canal no revestido, n = 0.028 de seccin trapezoidal, que conduce un

caudal Q = 15 m3/seg, con una gradiente de S = 0.0003 (0.3 0/00). El ancho del

fondo es b = 3 mt, el tirante d = 3 mt y los taludes tienen una inclinacin de z =

1. La longitud del canal es 60 km y ha sido excavado en un suelo franco-arenoso

cuyo coeficiente de permeabilidad K = 5 x 10-6 cm/seg. Se solicita encontrar las

prdidas por filtracin por km, y el caudal final.

SOLUCIN:

La seccin mojada : 2m 18 zd)(b d A =+=

El permetro mojado : mtzdbP 5.1112 2 =++=

15


La velocidad : m/seg 0.835 Q/A V ==

1. Segn Ingham:

P = 0.0025 x 1.73 ( 3 + 2 x 1 x 3 )

P = 0.039 m3/seg x km

2. Pavloski:

P = 1000 x 5 x 10-6 ( 3 + 6 x 2 )

P = 0.075 m3/seg x km

3. Punjab:

P = 0.02 x 150.563

P = 0.092 m3/seg x km

4. Moritz:

P = 0.0375 x 0.4 x 181/2

P = 0.064 m3/seg x km

En promedio se tendra para el tramo inicial una prdida de P = 0.070 m3/seg x

km que representa el 0.47 % del caudal total.

Considerando las prdidas por filtracin constante, el caudal al final del canal

sera:

Q = 15 0.070 x 60 = 10.8 m3/seg

Q = 15 (1 - 0.0047 x 60 ) = 10.8 m3/seg

O sea que en 60 km, se perder 4.2 m3/seg, que representa el 28% del caudal de

entrada.

Ejemplo 2:

Suponiendo que al canal del ejemplo anterior se realiza un revestimiento de

concreto de 10 cm de espesor y considerando K = 2 x 10-5 cm/seg de

permeabilidad. Se solicita encontrar la prdida por kilmetro.

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kmxsegmxxx 35- 00434.0)414.133(1.0

310 x 2 P =+=

Es decir que las prdidas han disminuido 16 veces (0.070/0.00434), con

relacin a lo que se tena para el canal no revestido.

Considerando tambin constante la prdida por km, obtenemos que la prdida

total en 60 km, sera:

0.00434 x 60 = 0.26 m3/seg

lo que significa el 1.73 % del caudal total.

* Si realizamos una evaluacin econmica, considerando S/0.50 el costo del m3 de

agua se tendra:

k) REVESTIMIENTO EN CANALES.-

k-1) Finalidad y Justificacin:

Los revestimientos deben satisfacer los siguientes requerimientos:

1) Crear una barrera impermeable al paso del agua, disminuyendo las prdidas

de esta y permitiendo extender el beneficio del riego a una mayor superficie

cultivable.

2) Proteger las tierras colindantes de los daos que en ellas causa la filtracin

eliminando con esto la necesidad de costosas obras de drenaje.

3) Proteger el canal contra la erosin permitiendo una mayor velocidad. Esto a

su vez permite reducir la seccin con la consiguiente economa en la

excavacin.

4) Reducir el coeficiente de rugosidad permitiendo el aumento de la velocidad.

5) Evitar el crecimiento de plantas acuticas en las paredes del canal.

Las caractersticas de un buen revestimiento deben ser los siguientes:

1) Ser impermeable

2) Resistencia a la erosin

3) De bajo costo en cuanto a construccin como a mantenimiento

4) Durable ante la accin de agente atmosfricos, plantas y animales.

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k-2) Tipos de Revestimientos:

Se han utilizado los materiales ms diversos entre los cuales para casos

excepcionales se pueden citar la madera, el acero, los plsticos, pero los

materiales ms comunes son los sgtes:

Fabricadas in situ

1) Mezclas con cemento: Prefabricadas

2) Mezclas asflticas

3) Materiales trreos

4) Tratamientos qumicos del terreno

- Revestimiento de Concreto

- Revestimiento de Mortero

- Revestimiento de Mampostera

- Revestimiento de Fibrocemento

- Revestimiento con Ladrillo

- Revestimiento Asfltico (imprimante)

- Revestimiento de Concreto Asfltico

- Revestimiento de Suelo-cemento

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diseño de canales i y ii

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