ASPECTOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCION DE SIFONES EN EL PROYECTO CHIRA PIURA-27.10.2009-1.pdf

Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental De Lambayeque Colegio de Ingenieros del Perú

XVIIXVII Congreso Nacional civil Congreso Nacionalde deIngeniería Ingenieria civil

ASPECTOS DE DISEÑO DISEÑO Y CONSTRUCCION DE SIFONES EN EL PROYECTO CHIRA - PIURA

Expositor: Ing. Francisco Morocho Calle

INTRODUCCION El Proyecto Chira – Chira – Piura Piura ha construido un conjunto de obras de almacenamiento, presas derivadoras, canales, drenes y diques para la irrigación de los valles de Piura y Chira. En algunos canales se han ejecutado sifones de diferentes capacidades y longitudes, siendo el Sifón Piura el de mayor Capacidad de 45 m3/s y 320 m construido en 1982 y el Sifón Sojo el más largo de 1517 m y 5.90 m3/s construido entre 1997 y 2005 En base a esa experiencia, se presenta algunos aspectos del diseño de sifones y se explicará el cálculo hidráulico del Sifón Sojo. XVII CONIC 2009

Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental

INTRODUCCION El Proyecto Chira – Chira – Piura Piura ha construido un conjunto de obras de almacenamiento, presas derivadoras, canales, drenes y diques para la irrigación de los valles de Piura y Chira. En algunos canales se han ejecutado sifones de diferentes capacidades y longitudes, siendo el Sifón Piura el de mayor Capacidad de 45 m3/s y 320 m construido en 1982 y el Sifón Sojo el más largo de 1517 m y 5.90 m3/s construido entre 1997 y 2005 En base a esa experiencia, se presenta algunos aspectos del diseño de sifones y se explicará el cálculo hidráulico del Sifón Sojo. XVII CONIC 2009


ESQUEMA GENERAL UBICACIÓN DE SIFONES A L A

M B E S

R IO

I ETAPA ETAPA OS POECHOS REPR ESA ESA POECH

TALARA

Q U I R O Z

LANCONES PRESA SAN LORENZO

III ETAPA ETAPA RA CHIRA VALLE VAL LE DEL CHI

C A H E L C U E I G L M A N C A

SIFON LA MANUELA

R A I H C I O R

SIFON SAMAN

R B A O S C L E E I N D A L A N C A

SIFON TAMARINDO E TE OR T NO L N N A AL AN C A

SIFON LIPE R I I O O

O C E A N O P A C I F I C O

SIFON CHIRA

SIFON MONTE LIMA

C H H I I R RA

A ANA SULLAN

UR SUR AL S N AL AN C A

SIFON SOJO

R I I O O

P I U R A

TAMBOGRANDE TAMBO GRANDE

PRESA SULLANA S E L A R R A P L A N A C

VALLE ALLE PIUR A MEDIO EDIO PIUR PAITA

PRESA EJIDOS

CHULUCANAS

TIG U A A A N TIG RIC A N A A ME RIC A P A N A ME TE R A P RE TE C A R RE

RA PIU IUR

ETAPA I ETAPA PIUR A ALLE E BAJO BAJO PIUR VALL

SIFON PIURA R I O

P I U R A

U L U B R A O G I A G B I L N A C A

N U E V A C A R R E T E R A P A N A M E R IC A N A

A O L M O S

XVII CONIC 2009 A C H


CHIRA PIURA PROYECTO PROYECTO ESPECIAL CHIRA

DAÑOS POR EL FENOMENO EL NIÑO 1997-1998

Sifón Piura concreto expuesto

Canal Norte - Rotura de losas

Sifón Samán

Canal Norte – Alcantarilla Km. 12 XVII CONIC 2009


OBJETO

Resaltar la importancia y utilidad que tienen los sifones; presentar algunas consideraciones de diseño, que en nuestra opinión son fundamentales y desarrollar el cálculo hidráulico del Sifón Sojo, que es el más largo, de tal manera que puedan servir como ayuda para el diseño de obras similares .

XVII CONIC 2009


CONSIDERACIONES DE DISEÑO HIDRAULICO 







El gasto es un dato y el valor de la velocidad depende del tipo de material a emplearse, podría asumirse un valor de velocidad La pérdida de carga total calculada deberá ser menor que la carga disponible (∆H < ∆Z) Es importante determinar la avenida de diseño, según el estudio hidrológico Determinar el diámetro promedio (dm) del material del fondo del cauce, según ensayos de mecánica de suelos, para lo cual se hará perforaciones a lo largo de la ubicación del sifón (SPT) XVII CONIC 2009


CONSIDERACIONES DE DISEÑO HIDRAULICO 







Cálculo del perfil hidráulico, socavación general, socavación local y los niveles de socavación y de fundación. Determinar las protecciones de la estructura y de orillas del cauce, con enrocado y gaviones. Los trabajos deben ejecutarse en seco y considerar la evacuación del agua de filtraciones durante las excavaciones, con el uso de bombas o de coladeras de punta (Well points). Considerar las obras de desvío del río, para hacer posible la construcción. XVII CONIC 2009


DISEÑO HIDRAULICO 1.0

Dimensionamiento de la sección, según cálculo aproximado y pérdidas de carga

2.0

Cálculo hidráulico para la sección elegida

2.1 Características hidráulicas de las secciones de canal y del sifón 2.2 Longitud de transiciones 2.3 Pérdidas de carga 2.4 Perfil hidráulico, niveles de socavación y fundación de la estructura 2.5 Protección de la estructura y de las orillas 3.0

Obras de desvío del río XVII CONIC 2009


DISEÑO DEL SIFON SOJO 



El diseñó inicial fue para una longitud de 1,212 m y cuando se había ejecutado 977 m., se presentó el fenómeno “El Niño” 1997-1998, la orilla izquierda fue erosionada prolongándose el sifón a una longitud total de 1,517 m. El diseño y la construcción fueron ejecutados por el Consorcio ENERGOPROJEKT – CUV. dentro de las obras de la III etapa del PECHP.

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ESQUEMA PARA EL CALCULO HIDRAULICO ESQUEMA PARA CALCULO HIDRAULICO

29.22

N O F I 0 S 6 7 E + D 5 = A D M A K R T N E

2

8 2 . N 5 O 7 F 2 I + S 7 = E D M A K D I L A S

3 7 . 0 4 2 + 7 = M K

0 5 . 6 3 7 + 6 = M K

27.23

24.95

18.00

CANAL SUR

18.83

2 15.70

26.87

17.19

16.53

CANAL SUR

14.89

1

1 38.00

938.50 SIFON SOJO EXISTENTE

504.23

35.27

SIFON SOJO PROLONGACION

Lp (LONGITUD DE PROTECCION)

CORTE 2 - 2 CORTE 1 - 1

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CALCULO APROXIMADO CUADRO Nº 1 CALCULO APROXIMADO B

D

A

Q

V

V 2/2g

P

R

(m)

(m)

m2

(m3/s)

(m/s)

(m)

(m)

(m)

1º

2,200

2,200

4,840

5,900

1,219

0,076 8,800 0,550

2º

2,000

2,000

4,000

5,900

1,475

0,111 8,000

3º

1,800

1,800

3,240

5,900

1,821

0,169 7,200 0,450

Alternativa

Alternativa

R4/3

n

Sf

0,500

L

hf

Demás

∆H

∆Z

(m)

(m)

pérd.c.

(m)

(m)

1º

0,451

0,014 0,00065

1,212

0,783

0,070 0,853

<

1,600

2º

0,397

0,014 0,00107

1,212

1,302

0,070 1,372

<

1,600

3º

0,345

0,014 0,00188

1,212

2,284

0,070 2,354

>

1,600

Según el resultado de los tres cálculos aproximados, se adopta el sifón de dimensiones de 2.00 m x 2.00 m XVII CONIC 2009


CALCULO HIDRAULICO DATOS

Canal



Q =

5.900 m3/s



b

=

1.000 m



z

=

1.500 m



d

=

1.610 m



A =

5.490 m2



P =

6.805 m



V =

1.073 m/s



T

5.830 m

=

XVII CONIC 2009


CALCULO HIDRAULICO DATOS

Sifón



Sección cuadrada

=

2.00 m*2.00 m



Velocidad

=

1.475 m/s



Longitud del Sifón

=

1,212.00 m



 

Elev. Nivel agua entrada = Elev. Nivel agua salida = Desnivel deseable entre el inicio y término de sifón = XVII CONIC 2009

28.600 m.s.n.m 27.000 m.s.n.m 1.600 m Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental

LONGITUDES DE TRANSICIONES

B B

2-2

1-1

PLANTA

Entrada  varía de 27.50º a 30º Salida  varía de 22.50º a 25º

Le1 = 3.68 m;

T  B Tan 

2 ; Le

T  B Le 

2 Tan

Le2 = 3.32 m; Se adopta Le = 4.00 m

Ls1 = 4.62 m; Ls2 = 4.11 m; Se adopta Ls = 4.50 m XVII CONIC 2009


PERDIDA DE CARGA Las pérdidas de carga son de dos tipos: a) Por Rozamiento, se calculan con las fórmulas

Sf 

2

v n R

4

2

hf  Sf * L

3

Para cambios de sección, caso de transiciones  Sf s  Sf c  Sf     2 

;

h'  Sf * L

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PERDIDA DE CARGA b) Locales o singulares, se calculan fórmulas que tienen la forma siguiente: h  K

con

v2 2 g

K es un coeficiente que se obtiene de tablas, gráficos y manuales Para cambios de sección, caso de transiciones,  V s V c  h"  K   2 g  2 g     2

XVII CONIC 2009

2


CUADRO : CALCULO DE PERDIDAS DE CARGA DESCRIPCIÓN

Sf

L (m)

V2s/2g V2c /2g (m) (m)

k

h (m)

∆h

(m)

1 Transición de entrada a) Rozamiento

0.00069

4.00

b) Resistencia de forma

0.003 0.111

0.059

0.20 0.010 0.013

2 Marco de compuerta Entrada 3 Rejilla de entrada

0.111 0.125

0.10 0.0696

0.011 0.009 *

4 Entrada de sifón 5 Rozamiento en el conducto 0.001074 1212.00 6 Deflexiones vert y horiz cond.

0.111

0.10

0.111

0.054

0.011 1.302 0.006 *

7 Transición de salida a) Rozamiento

0.00069

4.50

0.003

b) Resistencia de forma

0.111

8 Marco de compuerta Salida

0.111

Total P. de Carga Ʃ∆hi =

0.059

0.40 0.021 0.024 0.10

0.011

1.387

* El coeficiente se calcula

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PERDIDA DE CARGA EN TRAMO PROLONGADO (∆H = 1.387 < ∆Z = 1.600) De 1.387 m; por fricción es 1.302 m (94%) y las demás son 0.085 m, valor muy cerca al supuesto 0.070 m

PERDIDA DE PROLONGADO

CARGA

EN

TRAMO

La sección no varía y en el cálculo de la pérdida de carga sólo cambia la de fricción, aumentando ésta por la longitud prolongada de 305.28 m XVII CONIC 2009


TOTAL PERDIDA DE CARGA CON PROLONGACIÓN DEL SIFON SOJO

La pérdida de carga total será: hf  Sf * L

h5 '  hf  0.00107 * 305.28  0.327m

Σ∆hi = Σ∆hi inicio + ∆h5’ = 1.387+0.327 = 1.714 m La nueva salida del sifón se ubica 0.25 m más baja que la anterior, entonces la nueva carga disponible es: ∆Z = 1.600 +0.250 = 1.850 m > Σ∆hi ; XVII CONIC 2009

O.K. Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental

PERFIL HIDRAULICO Y NIVEL DE FUNDACION DE LA ESTRUCTURA 





Avenida de diseño según estudio hidrológico Elevación de la superficie de agua o perfil hidráulico para la avenida de diseño Evaluación de la Socavación en el río Chira en la ubicación del sifón Sojo - Diámetro Promedio del material del fondo del cauce - Socavación General - Socavación local

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PERFIL HIDRAULICO EN EL RIO CHIRA n = 0.030 para cauce principal y 0.065 para la zona de inundación. 2

Q

3

A R S

1

2

Ecuación de Manning

n

Ecuación de la energía Z1  y1   1

H1   1

V12 2g

V12 2g

 Z 2  y 2   2

 H 2   2

V22 2g

V22 2g

 Sf L  P.c. Locales

 Sf L   

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V2 2g Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental

EVALUACION DE LA SOCAVACION EN CAUCE DEL RIO CHIRA EN UBICACION DEL SIFON Socavación general

Fórmula de Lacey  q   D s 1.485 *   f  2

1

 q   D s 1.35 *   f  2

1 3

3

f  1.75 d m

Ds = Tirante de agua en cauce principal socavado q = caudal unitario. f = coeficiente para el material del lecho del río. dm = diámetro promedio del material del fondo del cauce = 0.20 mm XVII CONIC 2009


EVALUACION DE LA SOCAVACION EN CAUCE DEL RIO CHIRA EN UBICACION DEL SIFON Cuadro Nº 3: Socavación general (ds) Q m3 /s

d m

q m3 /s/m

f

Ds m

WS.EL NFS NPF msnm msnm msnm

ds m

3000,00

3,78

7,8617 0,783 6,37402

24,18 17,806

20,40

2,594

5000,00

4,72

11,088 0,783 8,01639

25,16 17,144

20,44

3,296

d = Tirante de agua ds = Profundidad de socavación WS.EL = Elevación Superficie del agua. NPS = Nivel Fondo Socavado NPF = Nivel Promedio Fondo (No Socavado) XVII CONIC 2009


EVALUACION DE LA SOCAVACION EN CAUCE DEL RIO CHIRA EN UBICACION DEL SIFON

Socavación local Se calcula con la fórmula de Veronese Ecuación de Veronese

V 2 / 2g R

E G L

H

S 1.90 * H 

0.22 5

hR

q 0.54  h

V 2/ 2 g

ZR

h

S 0.00

Q

 V 2   H  Z R  h R    Z  h  2g  2g  VR 2

Z 0.00

ESQUEMA PARA CALCULO LOCAL DE SOCAVACION

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EVALUACION DE LA SOCAVACION EN CAUCE DEL RIO CHIRA EN UBICACION DEL SIFON Cuadro Nº 4: Socavación local (S) Q ER E m3 /s msnm msnm 3000 5000

23,69 24,53

∆H

m

Top W Q canal canal q m3 /s m m3 /s/m

22,46 1,23 2985,35 23,88 0,65 4735,41

288,84 289,12

10,335 16,378

h m 5,16 6,45

S m 1,866 1,329

Niveles de Socavación y Longitud de Protección MinLp  2 NP  NFS  S  MaxLp  2 NPF  NFS  S  XVII CONIC 2009

Se adopta Lp = 10 m Capítulo de Ingeniería Civil Consejo Departamental

PROTECCION CON ROCA Y GAVIONES 8.25

8.25 6.70 .40

3.15

.40

2.75

.40

0 4 .

5.00

0 5 .

5.00

5 7 . 2

. 5 0

LINEA DE EJECUCION

0 4 .

1.50

0 1 .

3.35

3.35

1.50

Lp (LONGITUD DE PROTECCION)

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OBRAS DE DESVIO DEL RIO

FASE 2

O I V S E D

Aislar la zona de trabajo y que ésta no sea inundada

E D L A N A C

O I R

SIFON

Construcción de ataguías de tierra grava y roca, sirven como caminos de acceso

ALCANTARILLA FASE 1

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ASPECTOS DE CONSTRUCCION SIFON SOJO

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XVII CONIC 2009



XVII CONIC 2009


CONCLUSIONES 1) La pérdida de carga calculada, debe ser menor que la carga disponible (∆H < ∆Z). 2) En el caso de sifones que cruzan cauces de ríos y quebradas importantes, se debe considerar obras de protección de la estructura y de orillas del cauce. 3) La colocación de gaviones tipo colchón sobre el enrocado aumenta la protección de la estructura. 4) Los resultados del cálculo de la socavación, entre otros factores depende, del valor del coeficiente de rugosidad “n” que se asigne al cauce del río. XVII CONIC 2009


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