I. DISEÑ DISEÑO O DE TUNE TUNELE LES S FUN FUNCI CION ONAN ANDO DO COMO CANAL Cuando Cuando hablamos de transporte por conducto cubierto nos referimos a aquellas obras que que conducen agua a régimen de canal, a través de una loma (cerro), llamados túneles. Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, se presenta la posibilidad posibilidad de dar un rodeo rodeo para evitarla, evitarla, o atravesarla mediante la construcción de un túnel. Antes de construir el túnel es necesario realizar los lo s diseos diseos geotécnicos, geoté cnicos, estructurales, hidr!ulicos " ambientales necesarios para garantizar su estabilidad " su funcionalidad. #e da la utilización utilización de túneles siguientes casos$
en los
Cuando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando e l macizo montaoso que los separa. Cuando de de este modo se se evita el desarrollo de un largo canal abierto " con el consiguiente aumento de pendiente " reducción de la sección, se consigue una apreciable econom%a. Cuando la pendiente transversal es demasiado elevada " el material de mala calidad, no permiten asegurar la estabilidad del canal abierto. •
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A. FINALIDAD &n túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. 'a sección del canal puede ser revestida o ecavada " puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.
B. FORMA DE TRABAJO DEL TUNEL 'os túneles trabaar a$
pueden
1. A grav graved edad ad #i tienen una superficie superficie libre libre a presión atmosférica como los los canales abiertos. *eben seguir rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada. #e utilizan cuando el nivel de agua es casi constante sea en las tomas por derivación directa (fig+).
a la entrada, o
2. A pre presi sió ó #i llenan toda la sección como las tuber%as. ueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por debao de la l%nea piezométrica (fig-).
#e utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su entrada se ubica a no menos de -metros por debao del nivel m%nimo de agua. Al final del túnel se coloca una chimenea de equilibrio.
C. CRITERIOS DE DISEÑO Acortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la perdida de carga " que dan pocos gastos de conservación pero su inconveniente fundamental es el costo, costo, no obstante el precio de los túneles túneles de abastecimiento abastecimiento es considerablemente considerablemente m!s bao que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, "a que las dificultades de construcción de los túneles aumentan mu" fuertemente con el aumento de tamao. A su vez por esta misma razón la eecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, general, no ser! ser! necesar necesario io recurri recurrirr a galer%as galer%as de avance, avance, ni a métodos especiales. 'as secciones transversales m!s empleadas son la herradura para canales rodados " la circular para conducciones a presión, estas secciones deber!n tener unas dimensiones m%nimas que permitan el trabao relativamente cómodo en su interior. •
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#in embargo es conveniente pro"ectar los túneles de forma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente ma"ores a los de pro"ecto), puesto que as% se facilitan los incrementos futuros del abastecimiento. 'os túneles d e abastecimiento deber!n estar revestidos para evitar filtraciones " pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuber%as forzadas en su interior, el túnel podr! dearse sin revestir. •
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D. DISEÑO DE LA SECCI!N "TUNELES A #RA$EDAD% 'a forma de la sección de un túnel debe ser tal que para un !rea dada, el caudal que circula debe ser m!imo " también que resista a las presiones generadas en el interior. 'a construcción de túneles as% como la selección de su forma " tipo de revestimiento est! %ntimamente ligada con la geolog%a, mec!nica de suelos " rocas, puesto que uno de los datos m!s importantes es la presión que debe soportar.
F&r'as de se((ió) Di'esi&es M*i'as.
Caso etremo pequeos
de
túneles
/0+.12, -2 3 +.45m /min 0 +.45m 2min 6 +.75m
1. T+e,es De Se((ió Cir(-,ar &n canal semicircular es el m!s conveniente desde el punto de vista eclusivo de la eficiencia hidr!ulica. #in embargo, este tipo de túneles para canales es p oco usado por las dificultades constructivas que conlleva. 8l método espaol de 2arrag!n considera la construcción mec!nica de secciones circulares. #egún dicho ingeniero las secciones circulares representan una econom%a importante frente a las otras secciones. 8n todo caso nuestra opinión es que es dif%cil una generalización " en cada caso debe hacerse un an!lisis técnico9 económico.
Fig. 3 – Desembocadura de túnel de trasvase en el Embalse d el Guavio
a. CALCULO .IDRAULICO ara el caso del diseo hidr!ulico tomaremos al túnel como si fuera una tuber%a de sección circular, a continuación eaminemos el caso de un tubo circular parcialmente lleno$
:ediante simples consideraciones geométricas se puede determinar el !rea, per%metro " dem!s elementos de la sección transversal ocupada por el fluido. 'a tuber%a que trabaa parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una velocidad media " un gasto ma"or a los que corresponder%an a tubo lleno. 8aminemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad m!ima en un tubo parcialmente lleno. Consideremos una tuber%a cu"o di!metro es * " cu"o radio es r. 8l fluo corresponde a un tirante ".
#e trata de hallar la relación ";* que da la m!ima velocidad para el fluo, A2 es la superficie libre, < es el !ngulo en el centro. 'as epresiones correspondientes al !rea, per%metro moado " radio hidr!ulico son$
#i consideramos las fórmulas de :anning o de Chez", o cualquier otra, para el c!lculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple que$
ara pendiente " rugosidad constantes, =, dependen de la formula particular empleada. or lo tanto, para que la velocidad sea m!ima se requiere que el radio hidr!ulico sea m!imo
*e donde$
> es el !ngulo que corresponde a la velocidad m!ima. #e determina inmediatamente que$
8l tirante
*e donde
or lo tanto, cuando el tirante es 5,4+* la velocidad es m!ima.
#e observa que el resultado obtenido es independiente de la fórmula con la que se calcule la velocidad media. Calculemos ahora cual es el valor de ?;* que hace que le gasto sea el m!imo$
8l gasto, si usamos la fórmula de :anning, tiene por epresión
#e observa que para # " n constantes el m!imo valor del gasto -; corresponde al m!imo valor de A@
*e donde
Bue es el !ngulo que corresponde al gasto m!imo. #e determina inmediatamente que$
8l tirante es
*e donde
or lo tanto, cuando se usa la fórmula de :anning para los c!lculos, el gasto es m!imo cuando " 0 5,7 *. #i se hubiera empleado la fórmula de Chez", entonces la condición hubiera sido$
? se habr%a obtenido
or lo que cuando se usa la fórmula de Chez" para los c!lculos, el gasto es m!imo cuando "0 5,1*.
2. T+e,es Tip& Ba+,
'a forma de baúl es m!s sencilla de construir. 'a Digura ilustra las caracter%sticas de un túnel tipo baúl.
'as dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. 8l ancho " tipo de túnel depender! de las necesidades del pro"ecto, establecidos por criterios como el caudal " la velocidad.
a. CONSIDERACIONES DE DISEÑO /ARA TUNELES TI/O BAUL
Herradura Estándar
D&d e @0 radio de la bóveda E
0 !ngulo con horizontal que hace radio que toca intercepción de superficie de con bóveda.
h0d 0 colado del agua (tirante) A 0 !rea moada
la el la la la
0 per%metro moado @ 0 radio hidr!ulico n 0 coeficiente de rugosidad.
a. Ca,(-,& 0idr1-,i(& 8l !rea moada es igual a$
*onde r es el radio de la bóveda$ β, es el !ngulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la superficie del agua con la bóveda. d, es el calado (Firante) de agua. 8l per%metro moado es igual a$
8l radio hidr!ulico es igual a$
8l caudal es igual a$
#0pendiente.
. Cara(3er*s3i(as 0idr-,i(as de T+e, 3ip& Ba+, para di4ere3es 3ira3es "d50%
GG H G
06r +. +.4 +.J +.I +.1 +.7 +. +.+.+ +.5 +.4 +.44 +.4J +.4I +.41 +.47 +.4 +.4+.4+ +.45 +.J5 +.I5 +.15 +.75 +.5 +.-5 +.+5 +.55
GG
൘
G
.17 .17-+ .14J .17.1- .1- .1+I1 .157 .15+4 .7J .741 .7JI .7II .71J .77J .7I4 .7-I+ .7+1 .75 .-7 .457 .-741 .5IJ -.-4 -.J1+ -.1I7 -.J51 -.+J-4 +.J-4
/6r I.-II I.I71 I.1-I I.711 I.1 I.-+1 I.-5I.+JJ I.+-+ I.5J+I I.5-7I 1.JJ 1.IJ 1.41 1.4111 4.4+J5 1.JJ1 1.J71 1.J545 1.IJI 1.I 1.I1.5J47 7.4-I 7.I547 7.+4 7.+44+ .41J .J417
G
R6r 5.1++I 5.1+ 5.17-5.17+ 5.117 5.1I55 5.1I77 5.1I47 5.1J-5 5.1J17 5.1J47 5.14+7 5.1475 5.14I1 5.144J 5.154 5.1-4 5.17I 5.1I 5.1J 5.17 5.I544 5.I+51 5.I5I 5.1J 5.147 5.1I1 5.1715.1-+
-.-I -.- -.1 -.J5 -.4 -.7 -.75-.754 -.7+ -.7+J -.7+ -.7-5 -.7-+ -.7-+ -.7-5 -.7+4 -.7+I -.7+7 -.7+5 -.75I -.751 -.5 -.-I -.+55 +.1+.J4+ +.I+.71 +.-45
7. T+e,es Tip& errad-ra 8s frecuente que los túneles se constru"an con una sección diferente de la circular. &na delas secciones m!s empleadas es la sección en herradura. 'a siguientetabla sirve como a"udapara el c!lculo de las secciones en herradura (horseshoe).
D&de) ? 0 tirante * 0 di!metro A 0 !rea 0 per%metro moado @ 0 radio hidr!ulico
a. /r&piedades 0idr-,i(as de ,as se((i&es e 0errad-ra
8. $e,&(idades De Dise9& E L&s T+e,es •
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ara caudales constantes oscila entre +.1 a -.1 m;s, pudiendo admitirse valores ma"ores cuando el caudal es mu" variable. 8n túneles a presión las velocidades generalmente var%an de -.1 a 7.1 m;s. @ugosidad$ puede utilizarse$ n$5.5+ ó n$5.5+1 #i la roca es sana$ n$ 5.57 8n túneles que trabaan a gravedad el tirante no debe pasar el 41K de la altura total. 8l borde libre $ 2' 65.75 m (m%nimo05.5m) uede utilizarse$ 2'05K@(debe verificarse)
E. E:/RESI!N DEL CAUDALM;:IMO /ARA CUAL
*e donde
Bue es la condición de m!imo caudal. *e ac!
Fambién debe cumplirse la ecuación de Chez"
L bien
#i reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dM " adem!s se reemplaza el valor de dM obtenido de la ecuación de Chez" se llega a$
Bue es la ecuación diferencial que fia la condición de gasto m!imo en cualquier conductoabovedado en el que se calcule el gasto con la fórmula de Chez". #i hubiéramos usado la fórmula de :anning se habr%a obtenido que el gasto m!imo paracualquier conducto abovedado est! dado por$
F. E:/RESI!N DE LA $ELOCIDAD M;:IMA /ARA CUAL
*e donde
Bue es la condición de m!ima velocidad en cualquier conducto abovedado. 8sta ecuación nodepende de la fórmula empleada para el c!lculo de la velocidad.
*e igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de sección. 'a velocidad de diseo en los túneles oscila entre +,1 " -,1 m;s para caudales constantes, pudiendo admitirse valores ma"ores cuando el caudal es mu" variable. 8n los túneles a presión las velocidades generalmente var%an de -.1 m;s a 7.1 m;s. Fomando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza con encofrados met!licos que producen superficies bastante lisas, el coeficiente de rugosidad se toma entre n05.5+ " n05.5+1.
CARACTER=STICAS #EOM>TRICAS E IDR;ULICAS DE T?NELES 1.1. T?NEL COLCA @ UAMBO "/ROECTO MAJES%
1.2. T+e, INTERCUENCAS "/ROECTO C.A$IMOC.IC%
1.7. T?NEL TRASANDINO "/ROECTO OLMOS%
1.8. T?NEL LLAUCANO "/ROECTO TINAJONES II%
2.
TUNELES IM/ORTANTES EN EL MUNDO 2.1. TUNEL BELLEDONE "ARC ISERE FRANCIA% 'ongitud 0 +4.-5 =m Cobertura m!ima 0 -.5 =m *i!metro 0 1.45 m Femperatura 0 1NC 8ecución 0 Aos +J7 O +J4
'LPRSF& *
D@8PF8 *8 'ado 'ado
:8FL*L *8
AMAPC8 @L:8*SL
4.-5
convencional
+74
+5.5
Con F2:
-57
2.2. EUROT?NEL) a. b.
Fúnel que une las ciudades de Drancia " Rran 2retaa, bao la mancha. #ituado a -75 m bao el nivel del mar en su punto m!s profundo " a +55 m por debao del lecho del estrecho de Fsugaru que separa las dos islas. c. Fúnel Derroviario doble, de 15 Tm de longitud por cada túnel gemelo. d. *i!metro $ J.I5 m
e. Frabaaron$ +5 555 hombres por frente. f. Avance de perforación$ J55 m; :es. g. Costo$ +1 2illones de *ólares h. Costo de F2: usados$ U +5 O +7 mió (&#*)
2.7. T?NEL SIM/LON a. 8s el túnel m!s largo que ha" en 8uropa, para tr!fico ferroviario entre Stalia " suiza. b. 'ongitud$ -5 =m.
2.8. T?NEL SEIAN a.
8s el túnel m!s largo del mundo que enlazar! por tren " bao el agua dos de las cuatro islas importantes del Qapón$ /o=aido, " /onshu, donde se asiéntala capital de Fo=io. b. 'ongitud$ 17 =m. c. Framo bao agua$ I.1 =m (ma"or que el del 8urotúnel, que es de -. Tm). d. eriodo de construcción$ 7- aos. e. 8s una obra gigantesca, considerado el pro"ecto m!s importante del siglo pasado.
