canales-tuneles-irchim.docx

2014-II DISEÑO DE TUNELES Y CANALES

CURSO: ESTRUCTURAS HIDRAULICAS DOCENTE: Ing.DANTE SALAZAR SANCHEZ INTEGRANTES: 

GRACIAS QUISPE, JUNIOR



LECTOR CHANG, KEVIN



LLENQUE SANCHEZ, LUCERO



LOPEZ ZAVALETA, JAHN FRANCO



MÁRQUEZ SOLES, GRECIA

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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

ÍNDICE INTRODUCCIÓN

2

CANALES

3

DISEÑO HIDRAÚLICA DE CANALES ABIERTOS DISEÑOESTRUCTURAL DE CANALES

3 20

TUNELES HIDRAÚLICOS

31

TUENELES DE SECCION CIRCULAR TUNELES DE TIPO BAUL TUNELES DE TIPO HERRADURA

35 42 46

VISITA AL CANAL IRCHIM

51

GALERIA DE FOTOS

51

ANEXOS

56

UN IV ER SI DA D SA N PE DRO

- IN GE NI ER ÍA CI VI L

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INTRODUCCIÓN En este presente trabajo desarrollaremos el tema de canales, túneles hidráulicos, y sobre la visita al Canal Irchim. El primer tema de canales estudiamos lo que es su diseño hidráulico, según su caudal de diseño, su pendiente y el tipo de terreno; luego se procede a hacer su cálculo estructural, para que el canal tenga un buen tiempo de vida útil. El segundo tema, Túneles hidráulicos, tratemos sobre los tipos de túneles, las consideraciones consideraciones que debemos tener para construir un túnel, y como obtener sus propiedades hidráulico. El último tema a tratar es la Visita al Canal Irchim , el cual tiene 40.1 km, donde da inicio en la Bocatoma la Huaca hasta la estación de control 40+100, el cual consta de 17 túneles y diferentes obras hidráulicas



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DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ABIERTOS 1. Generalidades: En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – canal abierto o a presión -, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseño de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, ( acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales, etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, etc.). Para el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el cual es un parámetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la disponibilidad del recurso Hidrico (hidrología), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta. De manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y experiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 2. Canales de riego por su función:

2.1. Canal de primer orden: llamado también canal madre o de derivación y se traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. 2.2. Canal de segundo orden: llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. 2.3. Canal de tercer orden: llamados también sub – laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad de rotación. 3. Elementos básicos en el diseño de canales: 3.1. Trazo de canales 3.1.1. Reconocimiento del terreno: se recorre la zona, anotando todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo. 3.1.2. Trazo preliminar: se procede a levantar la zona con herramientas topográficas, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito. 3.1.3. Trazo definitivo: con los datos del trazo preliminar se procede al trazo definitivo. 3.2. Radios mínimos en canales: En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por un curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ningún ahorro de energía. e nergía. Tablas que indican radios mínimos, según el autor o la fuente:



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 3.3. Elementos de una curva:

3.4. Rasante de un canal: para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: - La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo. - Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte. - La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno. - Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de revestimiento a proyectar o si va a ser en el lecho natural. UN IV ER SI DA D SA N PE DRO


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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Sección típica de un canal

Dónde: T = ancho superior del canal b = plantilla z = valor horizontal de la inclinación del talud C = Berma del camino, puede ser: 0.5, 0.75, 1.00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. V = ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3, 4 y 6 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. H = altura de caja o profundidad de rasante del canal. 3.5. Diseño de secciones hidráulicas: se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal. Coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc. La ecuación más utilizada es la de Manning y su expresión es:

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Dónde: Q = caudal (m3/s) n = Rugosidad Área = área (m2) R = radio hidráulico = Área de la sección hú UN IV ER SI DA D SA N PE DRO


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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Criterios de diseño

a. Rugosidad: esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal esta recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservara con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad

Características geométricas de canales:



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b. Talud según el tipo de material: la inclinación de las paredes laterales de un canal, dependen de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados.

c. Velocidades maxima y minima permisible: La velocidad mínima permisible es aquella que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser muy exacto. Es por ello que el 0.8 m/s es tal vez un valor apropiado que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. La velocidad máxima permisible, se estima mediante experiencia local o el juicio del ingeniero, algunos valores sugeridos:

Para velocidades maximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; ademas un canal profundo conducira el agua a mayores velocidades sin erosion, que otros menos profundos. UN IV ER SI DA D SA N PE DRO


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d. Borde libre: 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 calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente formula:  

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Dónde: C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3/s., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/s. Y = tirante del canal en pies. La secretaria de recursos hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal.

Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:

UN IV ER SI DA D SA N PE DR O


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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 1. CALCULOS HIDRAULICOS Y GEOMETRICOS:

Hacemos los cálculos para secciones de cada tramo comprobando asi que lo régimen de datos sean los adecuados para poder construir una buena obra, siguiendo una serie de pasos que en el transcurso de la carrera hemos aprendido. a. Tramo I: Datos: 1. Cota Inicial

: 322,062 msnm

2. Cota Final

: 321,696 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 140.05 m

5. Base o Solera

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6. Rugosidad (n)

: 0.015 (revestimiento de concreto)

7. Talud (z)

:2

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Calculando la pendiente:

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Teniendo la pendiente y los demás datos de arriba, hallamos el área y el perímetro en función del tirante:

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Utilizando la conocida formula de Manning, tenemos lo siguiente:

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Teniendo el tirante de agua, cálculos las características hidráulicas del canal:

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 √   √  ⁄  √⁄   Para este tramo podemos decir que F < 1 , por lo tanto es un FLUJO SUBCRITICO. b. Tramo II: Datos: 1. Cota Inicial

: 321,696 msnm

2. Cota Final

: 321,452 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 60.05 m

5. Base o Solera







6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

:2

(arena)


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: 321,452 msnm

2. Cota Final

: 321,101 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 160.04 m

5. Base o Solera





: 3m

6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

: 1.5

(arcilla)


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: 321,101 msnm

2. Cota Final

: 320,700 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 160.05 m

5. Base o Solera





: 3m

6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

: 1.5


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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 


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: 320,700 msnm

2. Cota Final

: 320,250 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 180.06 m

5. Base o Solera





: 3m

6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

: -


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: 320,250 msnm

2. Cota Final

: 319,909 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 140.04 m

5. Base o Solera





: 3m

6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

: -

(roca)


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: 319,909 msnm

2. Cota Final

: 319,767 msnm

3. Caudal

: 4,74 m3/s

4. Longitud

: 60,02 m

5. Base o Solera





: 3m

6. Rugosidad (n)


7. Talud (z)

: 3

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Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1). h. Tramo VIII: Datos: 8. Cota Inicial

: 319,767 msnm

9. Cota Final

: 319,597 msnm

10. Caudal

: 4,74 m3/s

11. Longitud

: 80,02 m

12. Base o Solera



: 3m

13. Rugosidad (n)

: 0.017 (sin revestimiento - tierra)

14. Talud (z)

: 1.5

(tierra)


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 √   √⁄  √ ⁄  

Para este tramo el tipo es flujo es SUBCRITICO (F<1).



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DISEÑO ESTRUCTURAL DE CANALES

1)

GENERALIDADES: Los canales son conductos que sirven para el transporte del agua, desde el punto de captación hasta el punto de entrega para su uso (generación de energía eléctrica, riego, uso poblacional, etc.). Generalmente los canales que se utilizan en las plantas hidroeléctricas son revestidos, en cambio, por razones de costo en lo que se refiere a la inversión inicial, en la mayoría de los casos, los canales con fines de irrigación se dejan sin revestir. Para el diseño de estructuras de canales, el ingeniero deberá conocer los tipos de materiales, dimensiones apropiadas, el refuerzo de acero en proporciones normadas, para proporcionar estabilidad hidráulica y estructural. El diseño hidráulico proporciona: (1) una capacidad adecuada para la estructura del canal cuando se quiere conducir el flujo a una profundidad deseada. (2) un borde libre adecuado, en caso de avenidas. (3) Permite la disipación de energía con turbulencia mínima aguas abajo de las estructuras. (4) Una proporcionalidad estructural en algunas transiciones para minimizar las pérdidas de carga hidráulicas.



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El diseño estructural proporciona: Un espesor adecuado de concreto y patrones de acero para el refuerzo, para resistir momentos de flexión, fuerzas hidrostáticas (empuje), y esfuerzos de corte originados por cargas en la estructura. La estabilidad del canal proporciona: dimensiones estructurales adecuadas de manera que para la mayoría de los materiales del suelo de fundación, la estructura será: (1) resistente al deslizamiento y al volteo, (2) una estructura que previene la infiltración evitado la remoción de materiales de la fundación, y (3) una estructura que su fundación esté sometida a presiones menores que la máxima presión portante permitida.

2)

CARGAS QUE ACTUAN EN LA ESTRUCTURA DEL CANAL: La estructura de un canal debe ser capaz de resistir cargas muertas, cargas vivas en la superficie, presiones laterales, subpresiones, cargas transmitidas por automóviles, etc.

A. Pesos específicos de las cargas muertas: Los pesos específicos de las cargas muertas comúnmente utilizados en el diseño estructural de canales son:

B. Cargas vivas uniformes que actúan en la cubierta de operación: Las cubiertas de operación en estructuras que utilizan perfiles (“stoplogs”) son diseñadas para una carga viva uniforme de 150 libras por pulgada cuadrada; de otra forma utilice una carga de diseño de 100 lb/pulg2. Las cubiertas o losas para compuertas radiales requerirán de condiciones especiales de diseño estructural.

3) PRESIONES LATERALES: Las presiones laterales provienen de diferentes fuentes, y actúan en los muros de la estructura. Dicha estructura deberá ser capaz de resistir los efectos de las fuerzas resultantes de esas presiones, por medio de la utilización de refuerzo de concreto.



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A.

Agua: La presión de trabajo causada por el agua es de 62.4 lb/pie2. La distribución de la presión tiene forma triangular y la fuerza resultante actúa a un tercio de la altura por encima de la base del diagrama de presiones.

B. Tierra: Las presiones activas del terreno pueden ser determinadas por medio de la ecuación de Ranking o Coulomb1. El diagrama de presiones es de forma triangular, como del agua, con la fuerza resultante actuando a un tercio por encima de la base del diagrama. Debido a la similitud que existe con la distribución de presiones del agua, la presión causada por el terreno es a veces considerada como una presión equivalente a la del fluido. Las estructuras de canales normalizadas han sido diseñadas estructuralmente para resistir una presión activa lateral del terreno húmedo de 30 psf por pie de profundidad, y para una presión activa lateral de un suelo saturado equivalente a 85 psf por pie de profundidad. A menos que el suelo tenga características especiales, estos valores considerados, son adecuados para el diseño de estructuras en pequeños canales.

C. Sobrecarga del equipo de construcción y operación: Los muros de la estructura deben ser diseñados para resistir los efectos de la maquinaria pesada que transmiten cargas a través del terreno adyacente a la estructura. Se utiliza un equivalente de carga adicional de presión lateral del terreno a 2 pies de profundidad. Como resultado se tiene una distribución uniforme de la presión lateral del terreno (rectangular) de 60 psf, desde la superficie del relleno al fondo del muro.

D. Hielo: Las cargas de hielo en la estructura deben consideradas si se requiere que el canal este en operación en época de invierno en zonas frías.

E. Viento: Las cargas de viento en estructuras de irrigación pequeñas no están incluidas en los análisis estructurales y de estabilidad.

4) OTRAS PRESIONES: A. Subpresiones del agua (Uplift): Estas presiones son causadas por el agua que se infiltra por debajo y a lo largo de los lados de las estructuras hidráulicas, reduciendo el peso efectivo de la estructura y por lo tanto son importantes en el análisis de estabilidad.



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B. Sísmicas: Generalmente imparten presiones adicionales a las del terreno y del agua, pero no son de mayor consideración en el diseño estructural de pequeñas estructuras de irrigación.

5) ESTABILIDAD: 

Capacidad portante: Las presiones portantes en la fundación para estructuras pequeñas son de menor magnitud y generalmente serán menores a las presiones portantes admisibles para los diferentes tipos de suelo. Sin embargo es necesario proporcionar un tratamiento a las fundaciones, en caso de suelos de fundación de baja densidad o expansivos. Comúnmente, la hidrocompactación por acumulación será suficiente para consolidar suelos de baja densidad. Un tratamiento utilizado con frecuencia para el tratamiento de suelos expansivos, es la remoción del suelo de fundación, y su reemplazo por suelo compactado no expansivo.



Coeficiente de deslizamiento : La resistencia al deslizamiento se desarrolla por el esfuerzo de corte a lo largo de la superficie de contacto de la base de la estructura y la fundación, o por el esfuerzo de corte del material de la fundación misma. El esfuerzo de corte desarrollado por la cohesión es omitido y solo se toma en cuenta el esfuerzo de corte ocasionado por la fricción mecánica en la interface de la base y fundación, para el análisis al deslizamiento de pequeñas estructuras. Comúnmente se utiliza un coeficiente de deslizamiento admisible de 0.35, a menos que el suelo tenga características especiales. Esto puede ser expresado como:

 =0.35 



Dónde: ΣH = sumatoria de las fuerzas laterales actuantes, paralelas al plano de falla asumido. ΣN = sumatoria de las fuerzas que actúan normalmente al plano de falla asumido, reducidas por subpresión. Siempre debe colocarse dentellones al inicio y al final del muro. 

Resistencia al volteo: Para prevenir volteo, la suma de los momentos que estabilizan la estructura debe exceder a la sumatoria de los momentos de volteo en la estructura. La resultante de todas las fuerzas actuantes en toda la estructura debe caer en el tercio medio de la base de la estructura para proporcionar seguridad contra el volteo. Esta ubicación de la resultante también permite una distribución más uniforme de la presión portante en la fundación.



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

Infiltración: Todas las estructuras de canales estandarizadas tienen suficiente longitud para permitir un factor de infiltración de 2.5 o más. Esto es considerado para la mayoría de los suelos para prevenir tubificaciones en los materiales de fundación debajo o adyacentes a las estructuras pequeñas. Bajo operación ordinaria, la carga hidráulica diferencial máxima a través de la estructura causa infiltración de poca duración.

6) CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES 

Concreto reforzado: A. Esfuerzos admisibles: Las estructuras estandarizadas de canales adjuntas incluidas que poseen espesor de concreto, tamaño y espaciamiento de barras de refuerzo, fueron diseñadas por el método de tensión de trabajo basado en un esfuerzo del concreto de 4000 lb/pulg2 a los 28 días (f’c), y refuerzo de acero con un esfuerzo mínimo de trabajo de 60000 psi (fy). Las tensiones de trabajo admisibles utilizadas son 1800 psi de compresión (fc) para el concreto y 24000 psi de tensión (fs) para el refuerzo de acero. Para muchas de las estructuras pequeñas estandarizadas, el patrón de control en el diseño está dado por el espesor mínimo nominal de concreto y el refuerzo mínimo de acero. En estos casos los esfuerzos de concreto y acero pueden ser reducidos sin comprometer la integridad de la estructura.

B. Requerimientos mínimos de refuerzo: El refuerzo mínimo utilizado para diseño de canales debe ser de barras de ½ “cada 30 cm. cuando el refuerzo es colocado en una sola capa, o cuando las caras expuestas de concreto son reforzadas. En las caras no expuestas del concreto que tienen dos capas de refuerzo, el acero mínimo debe de ser de barras de ½” cada 45 cm (18 pulg). Los muros y otros miembros estructurales deben tener un porcentaje total de refuerzo horizontal igual a la suma de los porcentajes requeridos en ambas caras determinadas para refuerzo de doble cara.



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Si un miembro estructural excede los 30 pies en cualquier dirección paralela al refuerzo, deberá añadirse un porcentaje adicional de 0.05 % de área de acero. El espaciamiento del refuerzo no deberá exceder a 3 veces el espesor del miembro para refuerzo de temperatura, y 2 veces el espesor del miembro para las barras de esfuerzo. Otros requerimientos mínimos y notas generales para el diseño, esquema y detalles del refuerzo se indican en el anexo correspondiente.

C. Espesor mínimo de paredes: Para proporcionar facilidad en el vaciado del concreto y asegurar un buen agarre entre el refuerzo y el concreto, el espesor mínimo de las paredes de concreto debe ser 1 pulg. Por pie de altura (5” como mínimo) para paredes hasta 8 pies de alto. Para paredes que exceden los 8 pies de altura, el espesor mínimo de concreto debe ser de 8” m{s ¾ “por cada pie de altura mayor a 8 pies.

D. Estribos: En canales de concreto deben ser colocados con espaciamientos menores a 45 cm, o 2 veces el espesor del muro.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 7) ECUACIONES PARA REFUERZO CONTINUO DE ACERO:

Las siguientes ecuaciones para la selección del refuerzo de acero continuo en concreto fueron tomadas del manual TM 5-825-3 del cuerpo de ingenieros de la armada de los Estados Unidos (USACE):

Dónde: P1 = porcentaje del acero de refuerzo requerido longitudinalmente. F = Factor de fricción del suelo de soporte (se sugiere 1.5 a menos que este valor sea conocido) f1 = El esfuerzo de tensión del concreto a los 7 días utilizando el esfuerzo de rotura; para esfuerzos de concreto de 25 Mpa (3000 psi) a los 28 días, el valor de f1 puede ser tomado como 2 Mpa (230psi).

fs = esfuerzo de trabajo del acero de refuerzo, 75 % del esfuerzo de fluencia del acero. Esto permite un factor de seguridad de 1.33 ∇ T

= Variación de temperatura de acuerdo a la estación

nc = coeficiente de expansión termal del concreto Es = módulo de elasticidad del acero.

8) BORDE LIBRE EN CANALES: El revestimiento de los canales y las márgenes del canal se extienden por encima del nivel normal de agua, como una medida de seguridad frente al rebalse. El borde libre de un canal



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es la distancia vertical desde la parte superior del canal hasta la superficie del agua en la condición de diseño. Esta distancia debe ser lo suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del agua causen desbordes por encima de los lados. Este factor se vuelve muy importante en especial en el diseño de canaletas elevadas, debido a que la subestructura de éstos puede ponerse en peligro por cualquier desborde. El borde libre en un canal no revestido o lateral por lo general estará gobernado por condiciones de tamaño y localización del canal, caudal de aguas de lluvias entrante, fluctuaciones del nivel freático causadas por estructuras de control de flujo, acción del viento, características del suelo, requerimientos para la operación de carreteras y disponibilidad de material excavado.

9) BERMA DE SEGURIDAD:

10) PÉRDIDAS POR INFILTRACIÓN EN CANALES: Para calcular las pérdidas por infiltración en canales se pueden utilizar: medida directa en el campo y métodos empíricos. 

Medida directa en campo: La medida directa en el campo de las pérdidas por infiltración se puede hacer:

1) Midiendo los caudales que entran y salen de un tramo de canal, siendo la diferencia entre ellos las pérdidas. Para el aforo de los caudales se pueden usar molinetes, vertederos o aforadores Parshall. La exactitud del método depende de la exactitud del aforo. La gran



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ventaja de este método es que no interfiere con el funcionamiento normal del canal y es más barato. 2) Aislando un tramo de un canal por medio de un relleno de tierra al principio y al final del tramo. El método consiste en medir la velocidad de caída del agua en el estanque que se forma en el tramo. El método tiene la desventaja de ser costoso, además de interrumpir el servicio del canal durante la medición. La fórmula que se usa para el cálculo es la siguiente:

Dónde: S = infiltración media a lo largo de la longitud L, en m3/m2- 24 horas. W = espejo de agua medio en el tramo estancado Y1 = tirante de agua al inicio de la medición Y2 = tirante al cabo de 24 horas. p =perímetro promedio. 

Fórmula de Pavlovski:

Dónde: p = pérdidas en m3/s-km. K = coeficiente de permeabilidad en m/s.



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

Pérdidas en canales revestidos: Según Davis todo canal debe ser revestido cuando las perdidas por infiltración excedan a 0.46 m/día (5.3 * 10-4 cm/s). El revestimiento de un canal no elimina completamente las pérdidas por infiltración, pues siempre hay fugas a través de grietas que se producen o del mismo hormigón, pero las reduce considerablemente. Según Hinds un revestimiento de 3 pulgadas (7.62 cm) hecho con hormigón de buena calidad debe reducir las pérdidas a 0.0122 m/día. De acuerdo al trabajo desarrollado por Uginchus las pérdidas en un canal revestido pueden obtenerse multiplicando por un factor las pérdidas que se producen en el mismo canal no revestido. Para el caso de un revestimiento de hormigón de 7.5 cm obtuvo que el coeficiente fue 0.13.Uginchus manifiesta que para el cálculo de las pérdidas por infiltración en un canal revestido se puede usar la fórmula experimental:

Dónde: P = pérdidas en m3/s – km. K = permeabilidad de revestimiento de hormigón que varía de 10-5 a 10-7 cm/s. e = espesor del revestimiento en m.

11) NOTAS GENERALES Y REQUERIMIENTOS MÍNIMOS PARA EL REFUERZO DE ACERO EN LA ESTRUCTURA DE UN CANAL: 

Recubrimientos: Coloque el refuerzo de acero de manera que la distancia libre entre la cara de concreto y el refuerzo sea de ½” para barras Nº 5 y menores, y 2” para barras Nº 6 o mayores, a menos que la cara del concreto este expuesta al suelo, en tal caso deber{ ser de 2” para es pesores de concreto de 9” o menores y 3” para aquellos miembros de concreto con espesor mayor a 9”.



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Colocado: El refuerzo de acero en pequeñas aberturas de muros y losas, no debe extenderse más de 1 ½ veces el espaciamiento entre barras. El refuerzo debe ser fijado lateralmente para mantener una distancia libre de al menos 1 ” entre el acero y otros miembros estructurales (waterstops, pernos, conductos y otros). En áreas fuertemente reforzadas se debe de considerar la reubicación de del material embebido o miembros estructurales.



Espaciamiento: Las primeras y últimas barras en los muros y losas, vigas y otros miembros estructurales deben comenzar y finalizar a un máximo de la mitad del espaciamiento de las barras adyacentes.



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TUNELES HIDRÁULICOS Los túneles hidráulicos básicamente son aquellos destinados a conducir agua, esta definición aunque parezca obvia pone de presente hecho, conducir agua, que les confiere su singularidad. Existe una gran variedad en cuanto a su uso:  









Aprovechamiento hidráulico Abastecimiento de agua Alcantarillado sanitario y alcantarillado pluvial Trasvase de cuenca Riego drenaje Enfriamiento de plantas térmicos

Cuando hablamos de transporte por conducto cubierto nos referimos a aquellas obras 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 de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla mediante la construcción de un túnel. En cuanto a su diseño de túneles hidráulicos presentan, respecto a los demás túneles, la particularidad de que pueden tener una presión interior.



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Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad. Se da la utilización de túneles en los siguientes casos: 





Cuando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando el macizo montañoso que los separa. Cuando de este modo se evita el desarrollo de un largo canal abierto y con el consiguiente aumento de pendiente y reducción de la sección, se consigue una apreciable economía. Cuando la pendiente transversal es demasiado elevada y el material de mala calidad, no permiten asegurar la estabilidad del canal abierto.

FINALIDAD Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.

CONSTRUCCIÓN La construcción de túneles tiene diferentes y variadas formas de hacerse: 





Por cambios bruscos en temperatura: este es el sistema más clásico de todos, consiste en hacer una hoguera en el frente del túnel para calentar la roca, más tarde se le aplica agua fría lo que producirá un resquebrajamiento y posibilitará una fácil remoción. Por perforación y voladura: La perforación en este caso se hace por medio de la colocación de tacos de dinamita para luego volar la roca y perforar de este modo, luego de la voladura se debe sacar el humo y todos los agentes que puedan causar contaminación por medio de extractores, se comienza a sacar el material volado, se acondiciona luego con todos los servicios y hasta que no se termine este ciclo, no se puede comenzar con el otro. Perforación completa: Se hacen con unas máquinas especiales, sólo se pueden hacer perforaciones circulares, la superficie que es excavada quedará casi completamente lista para empezar a funcionar lo que evitará las sobre excavaciones, además el material excavado se lleva a la parte posterior de la máquina por medio de bandas transportadoras manejando de ese modo una eficiencia máxima.



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Con rozadoras: Es un brazo hidráulico articulado con dos ruedas que poseen elementos abrasivos, este brazo se puede mover tanto horizontal como verticalmente.

ESTIMACIÓN DE CARGAS Las cargas que van a afectar el diseño son básicamente; las producidas por la roca, las producidas por las fuerzas hidráulicas interiores y las fuerzas producidas por las hidrostáticas externas; es de alta importancia saber que en donde se crea existirá un mayor esfuerzo sobre el túnel a la hora de hacer el revestimiento se debe pensar en un determinado tipo de blindaje, para asegurar así el cumplimiento y la seguridad en el túnel.

FORMA DEL TRABAJO DEL TUNEL 1. A GRAVEDAD Si tienen una superficie libre a presión atmosférica como los canales abiertos. Deben seguir rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada. Se utilizan cuando el nivel de agua es casi constante a la entrada, o sea en las tomas por derivación directa

2. A PRESIÓN Si llenan toda la sección como las tuberías. Pueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por debajo de la línea piezométrica.



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Se utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su entrada se ubica a no menos de 2 metros por debajo del nivel mínimo de agua. Al final del túnel se coloca una chimenea de equilibrio.

CRITERIOS DE DISEÑO 







Acortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la perdida de carga y que dan pocos gastos de conservación; pero su inconveniente fundamental es el costo, no obstante el precio de los túneles de abastecimiento es considerablemente más bajo que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, ya que las dificultades de construcción de los túneles aumentan muy fuertemente con el aumento de tamaño. A su vez por esta misma razón la ejecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a galerías de avance, ni a métodos especiales. Las secciones transversales más empleadas son la herradura para canales rodados y la circular para conducciones a presión, estas secciones deberán tener unas dimensiones mínimas que permitan el trabajo relativamente cómodo en su interior. Sin embargo es conveniente proyectar los túneles de forma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente mayores a los de proyecto), puesto que así se facilitan los incrementos futuros del abastecimiento. Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar filtraciones y pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuberías forzadas en su interior, el túnel podrá dejarse sin revestir.

DISEÑO DE LA SECCIÓN – TUNELES A GRAVEDAD La forma de la sección de un túnel debe ser tal que para un área dada, el caudal que circula debe ser máximo y también que resista a las presiones generadas en el interior. La construcción de túneles así como la selección de su forma y tipo de revestimiento está íntimamente ligada con la geología, mecánica de suelos y rocas, puesto que uno de los datos más importantes es la presión que debe soportar.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS FORMAS DE SECCIÓN

CASO ESTREMOS DE TUNELES PEQUEÑOS

H = 1.5B, 2B > 1.80m Hmin = 1.80 m Bmin ≥ 1.40 m

TUNELES DE SECCIÓN CIRCULAR Un canal semicircular es el más conveniente desde el punto de vista exclusivo de la eficiencia hidráulica. Sin embargo, este tipo de túneles para canales es poco usado por las dificultades constructivas que conlleva. El método español de Barragán considera la construcción mecánica de secciones circulares. Según dicho ingeniero las secciones circulares representan una economía importante frente a las otras secciones. En todo caso nuestra opinión es que es difícil una generalización y en cada caso debe hacerse un análisis técnico-económico.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CÁLCULO HIDRÁULICO

Para el caso de diseño hidráulico tomaremos al túnel como si fuera una tubería de sección circular parcialmente lleno.

Mediante simple consideraciones geométricas se pueden determinar el área, perímetro y demás elementos de la sección transversal ocupada por el fluido. La tubería que trabaja parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una velocidad media y un gasto mayor a los que corresponderían a tubo lleno. Examinemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad máxima en un tubo parcialmente lleno. Consideremos una tubería cuyo diámetro es D y cuyo radio es r. El flujo corresponde a un tirante y.

Se trata de hallar la relación y/D que da la máxima velocidad para el flujo, AB es la superficie libre, θ es el ángulo en el centro.

Las expresiones correspondientes al área, perímetro mojado y radio hidráulico son: UN IV ER SI DA D SA N PE DR O


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         

Si consideramos las fórmulas de Manning o de Chezy, o cualquier otra, para el cálculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple que:

 Para pendiente y rugosidad constantes, k, x, dependen de la formula particular empleada. Por lo tanto, para que la velocidad sea máxima se requiere que el radio hidráulico sea máximo.

De donde

          

Θ es el ángulo que corresponde a la velocidad máxima. Se determina inmediatamente que:

El tirante

De donde

    



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Por lo tanto, cuando el tirante es 0,81D la velocidad es máxima.

Se 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 Y/D que hace que le gasto sea el máximo:

         

El gasto, si usamos la fórmula de Manning, tiene por expresión

      

Se observa que para S y n constante el máximo valor del gasto corresponde al máximo valor de AR2/3

( )                             De donde:

      

Que es el ángulo que corresponde al gasto máximo. Se determina inmediatamente que:



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS El tirante

De donde

   

Por lo tanto, cuando se usa la fórmula de Manning para los cálculos, el gasto es máximo cuando y = 0,94 D. Si se hubiera empleado la fórmula de Chezy, entonces la condición hubiera sido:

Y se habría obtenido

( )       

Por lo que cuando se usa la fórmula de Chezy para los cálculos, el gasto es máximo cuando y = 0,95D.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS PROPIEDADES HIDRÁULICAS



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS TUNELES TIPO BAÚL

La forma de baúl es más sencilla de construir. La Figura ilustra las características de un túnel tipo baúl.

Las dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. El ancho y tipo de túnel dependerá de las necesidades del proyecto, establecidos por criterios como el caudal y la velocidad.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CONSIDERACIONES DE DISEÑO 





 

 



HERRADURA ESTANDAR

R = radio de la bóveda B = ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intercepción de la superficie de con la bóveda h = d = tirante A = área mojada P = perímetro mojado R = radio hidráulico n = coeficiente de rugosidad

a. CÁLCULO HIDRÁULICO El área mojada es igual a:

          

Donde r es el radio de la bóveda:

β, es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la superficie del agua con la bóveda. d, es el calado (Tirante) de agua.



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS El perímetro mojado es igual a:

El radio hidráulico es igual a

El caudal es igual a

S: pendiente

                  

      



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS b. CARCTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE TUNEL TIPO BAÚL PARA DIFERENTES TIRANTES (d=h)



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TUNELES DE TIPO HERRADURA Es frecuente que los túneles se construyan con una sección diferente de la circular. Una delas secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguiente tabla sirve como ayuda para el cálculo de las secciones en herradura (horseshoe).

Dónde: 

 

 

Y = tirante D = diámetro A = área P = perímetro mojado R = radio hidráulico



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS a. PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LAS SECCIONES EN HERRADURA



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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS VELOCIDADES DE DISEÑO EN TUNELES 

   

 

Para caudales constantes oscila entre 1.5 a 2.5 m/s, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable. En túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 a 4.5 m/s. Rugosidad: puede utilizarse: n:0.01 ó n:0.015 Si la roca es sana: n: 0.04 En túneles que trabajan a gravedad; el tirante no debe pasar el 85% de la altura total. El borde libre: BL ≥0.40 m (mínimo=0.30m) Puede utilizarse: BL=30%R (debe verificarse)

EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO PARA CUALQIER CONDUCTO ABOVEDADO Ahora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conducto abovedado. Siempre se tendrá por continuidad que:

De donde

    

Que es la condición de máximo caudal. De acá

También debe cumplirse la ecuación de Chezy



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  O bien,

    Si reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dV y además se reemplaza el valor de dV obtenido de la ecuación de Chezy se llega a:

 Que es la ecuación diferencial que fija la condición de gasto máximo en cualquier conducto abovedado en el que se calcule el gasto con la fórmula de Chezy. Si hubiéramos usado la fórmula de Manning se habría obtenido que el gasto máximo Para cualquier conducto abovedado está dado por:

 EXPRESIÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PARA CUALQUIER CONDUCTO ABOVEDADO En cualquier conducto abovedado debe cumplirse que:

     De donde:

         



Que es la condición de máxima velocidad en cualquier conducto abovedado. Esta ecuación no depende de la fórmula empleada para el cálculo de la velocidad. De igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de sección. La velocidad de diseño en los túneles oscila entre 1,5 y 2,5 m/s para caudales constantes, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable. En los túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 m/s a 4.5 m/s. Tomando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza con encofrados metálicos que producen superficies bastante lisas, el coeficiente de rugosidad se toma entre n=0.013 y n=0.015. UN IV ER SI DA D SA N PE DR O


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VISITA AL CANAL IRCHIM  

El canal IRCHIM es un canal proveniente del Rio Santa, de 40 km de longitud, sus medidas están entre 5.4mts a 3.85mts. La sección del canal es en un 90 % trapezoidal y lo demás es rectangular, tiene un alcance de riego de 4775.65 has y 111.50 has que se riega por bombeo; también abastece a todo Nuevo Chimbote y sectores cercanos.

Túneles del canal Irchim  

El canal IRCHIM dispone de 17 túneles hidráulicos, cada uno distinto de otro en longitud. Estos túneles se encuentran revestidos por lo general en las partes iniciales de estos mismos

Esta es la bocatoma la Huaca es el comienzo del canal Irchim Progresiva 0+000

Desarenador ubicado a 300 metros de bocatoma



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Túnel 3 progresiva 6+925





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Túnel 14 progresiva 23 +376

Túnel 15 en progresiva 29 +500



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Estación de control 40+100

Con el operador hidráulico Manuel Dueñas Laberiano

Progresiva 40 + 100 final del canal Irchim (Comienzo del canal -



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