TRAZO Y DIZEÑO DE CANALES

INGENIERÍA CIVIL

I.

HIDRÁULICA APLICADA

GENERALIDADES:

CANAL MOCHUMÍ

Los canales como elementos de transporte del agua, son conducciones artificiales en las que el agua circula sin presión, es decir en contacto continuo con la atmósfera. El estudio hidráulico de estas conducciones se caracteriza porque el movimiento del agua se realiza por su propio peso, es decir, sin ningún gasto energético y aprovechando la fuerza de la gravedad. En un proyecto de irrigación, lo que compete al diseño de canales y obras de arte no es la más importante; pues es el caudal el factor clave en el diseño y el más significativo en un Proyecto de Riego, este parámetro se obtiene en base a la interrelación de ciertos factores como son: tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc; es decir, mediante la conjugación de la relación agua-suelo-planta y de la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de canales aquel diseñador que tenga un conocimiento de estas disciplinas, sin llegar a ser un especialista, tendrá mucho más panorama y será más eficiente que aquel que diseña fríamente.

1

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II.


PARTES QUE CONSTITUYEN UN CANAL:

donde: b

:

d

Base del canal o ancho de solera

: Tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal.

f

:

Borde libre

m1

:

Talud interior del canal

m2

:

Talud de corte

m3

:

Talud Exterior del Terraplén del canal

m4

:

Talud del terreno natural

c1 y c 2

:

Ancho de bermas o cominos de servicio o vigilancia

H=f+d

:

Altura total del canal

:

Ancho superficial de agua en el canal

T

2

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III.


ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CANAL:

Dónde: y

: Tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal

b

:

Base del canal o ancho de solera

T

:

Espejo de agua o superficie libre de agua

H

:

Profundidad total del canal

H–y

:

Borde libre

C

:

Ancho de corona

Ɵ

:

Ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal

(

) √

(

)

(

)

(

√

)

3

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 Talud “Z”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas según Figura, se tiene:

𝒁

𝐜𝐨𝐭 𝜽

 Tirante de agua o profundidad de flujo “y”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.  Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua.  Área mojada o área hidráulica “A”: Es la superficie ocupada por el líquido en una sección transversal normal cualquiera.  Perímetro mojado “P”: Es la parte del contorno del conducto que está en contacto con el líquido.  Radio hidráulico “R”: Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado, el radio hidráulico es la dimensión característica de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías. 𝑨 𝑷

𝑹

 Profundidad hidráulica “D” o profundidad media “y”: Es la relación entre el área hidráulica y el espejo de agua. 𝑫

𝑨 𝑻

𝒚

 Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: Es el producto del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica.

√D

f

s

ó

4

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IV.


FORMAS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL:

Las más conocidas en la práctica son: a) Trapecial. - Es la más común, adaptándose esta forma sobre todo por razones de estabilidad de taludes del canal y facilidades CONSTRUCTIVAS, además esta forma lo suficientemente inclinada evitará el uso de encofrados si el canal fuera revestido. b) Rectangular. - En este caso , esta sección se adapta sobre todo en zonas de suelos estables y se quiere ahorrar cortes excesivos. c) Circular. - Es la sección hidráulica más eficiente, generalmente son tubos prefabricados o cilindros de gasolina que son usados como canales. Son baratos y se ahorra excavación. SECCIÓN DE CANAL EN LADERAS De inclinación aproximada en suelos estables.

Canal diseñado para un caudal máximo de 150 l / seg, con una velocidad de,V=1.5m/seg, aproximadamente 0.5 sacos de cemento por M.L de canal.

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Canal diseñado para un caudal máximo de 130 l / seg, con una velocidad de,V=2 m/seg, 0.5 cacos de cemento para 0.75 M.L de canal. En suelos inestables.

1.125

1

Talud puede derrumbarse

2.00

Colchon protector de tierra

1.00

.20

.38

.20

Canal diseñado para un caudal máximo de 500 l / seg, con una velocidad de, V=2 m/seg, cilindros envueltos en mampostería con mortero de cemento. Aproximadamente 1 saco de cemento por M.L de canal. 6

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SECCIÓN


ÁREA HIDRÁULICA A

PERÍMETRO MOJADO P

RADIO HIDRÁULICO R

( (

)

s

)

√

√

√

(

)

ESPEJO DE AGUA T

√

D (

8

(

s

)

) √ (

)

8 8

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V.


CLASIFICACIÓN DE CANALES:

POR SU CAPACIDAD DE CONDUCCIÓN:

a. Canales principales o de conducción:  Llamados también Canal MADRE o de DERIVACION, sirven para

transportar el agua desde la Bocatoma hasta la cabecera de los sectores de irrigación.  Va por las partes más altas de la ladera para poder aprovechar al máximo el área de riego.  Cada sector de RIEGO tiene aprox. (1000 - 6000 ha).  Su capacidad es del orden de (3 – 1OO m3/s) Ejemplo:  Canal alimentador (Río Chancay-Proyecto Tinajones, Q = 70 m3/s).  Canal MADRE PAMPA BLANCA (Río Santa - Proyecto Chavimochic, Q = 78m3/s)  Canal de derivación (Río Piura - Proyecto Chira-Piura, Q = 70 m3/s).  Canal talambo (Río Jequetepeque-proy. Jequetepeque –piura, Q = 1510m3/s).  Canal Taymi, (Q = 25-65 m3/s). b. Canal de segundo orden o sub canal:  Llamados también Sub-Canales, toma el agua del canal principal para entregarle después otros canales de 3er orden llamados LATERALES.  También va por la parte alta del área de riego.  Capacidad del orden de 2 – 10 m3/s Ejemplo: 

Canales túcume, Heredia (proyecto tinajones – rio chancay)

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c. Canal de tercer orden o laterales:  Tomar el agua del sub canal y luego le va entregar a otros sub canales de

4° orden o sub laterales.  Área servida por un lateral varia de 60 – 350 ha.  Capacidad del orden de 300L/s.  El área servida por un lateral se le conoce como UNIDAD DE RIEGO. d. Canal de cuarto orden o sub - laterales:  Toma el agua del lateral y lo va entregando luego a los parciales o lotes de

riego.  Área servida por un sub lateal, varia de 20 – 60ha.  Capacidad de orden de 60 – 200 L/s. (en la práctica se le da 150 L/s).  El agua de riego servida se le conoce como unidad de rotación. e. Material de quinto orden o regaderas:  Son canales a nivel de PARCELA, son generalmente PEQUEÑAS

ACEQUIAS de tierra que distribuyen el agua dentro de la parcela hacia los SURCOS, MELGAS o POZAS.  PARCELA DE RIEGO: Según Condición Agraria es de 4 has. en el PERU.  Al lado de Canales y Drenes siempre debe existir un camino de Vigilancia.

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VI.


RASANTE DE UN CANAL

Cuando se ha definido el trazo o eje del canal y una vez que este ha sido alineado y estacado en campo, se procede a levantar el perfil longitudinal del terreno de dicho eje con secciones transversales cada 20 m o 100 m, esta longitud está en dependencia a la naturaleza del terreno, mientras más accidentado sea el terreno más cortas serán las longitudes entre secciones y en caso contrario, mientras el terreno sea más llano y sin accidentes las longitudes entre secciones pueden llegar hasta 100 m. una vez levantado en campo el perfil longitudinal del eje del canal y las secciones transversales, se procede al dibujo de la información obtenida, los perfiles longitudinales generalmente a escala 1:1000 a 1:2000 para el sentido horizontal, normalmente la relación entre las escalas horizontal y vertical es de 1:10 ó 1:20; sin embargo, se debe mencionar que en algunos Proyectos de Riego se han presentado escalas longitudinales de 1:5000 con el consecuente ahorro de tiempo y dinero, esta escala resulta conveniente para canales de conducción relativamente largos en zonas llanas y con un número reducido de deflexiones. En el diseño de la rasante de un canal se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones generales: 1. Es conveniente que el diseño de la rasante de fondo, se efectúe sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo, pues esto nos permite borrar las alternativas que se desechan sin borrar la información topográfica. 2. Se debe tener en cuenta los puntos de confluencia cuando se trata de un dren u obra de arte, o los puntos de captación o tomas cuando se trata de un canal de riego. 3. La pendiente de la rasante de fondo debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, para optimizar el movimiento de tierras, cuando esto no es posible debido a las fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. 4. Para definir la rasante de fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad que nos da esa caja hidráulica es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal.

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5. Es importante resaltar que la capacidad de los canales o la selección de su caudal de conducción deberá ser calculado por un ingeniero especialista y se deberá tener en cuenta todas las desventajas posibles. 6. Al diseñar la rasante del canal deberá diseñarse casi simultáneamente la rasante de su camino de vigilancia, cuando se ha definido la rasante del canal queda definida también su sección hidráulica y esta, con la sección del camino de vigilancia en conjunto, constituyen la sección típica del canal. 7. Se puede concluir diciendo que al diseñar la rasante de fondo del canal, necesariamente deberán conjugarse los siguientes parámetros: Caudal, pendiente, tipo de suelo, talud, plantilla del canal y velocidad máxima permisible. 8. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información: a. Kilometraje b. Cota de terreno c. BMs (cada 500 ó 1000 m) d. Cota de rasante e. Pendiente f. Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva g. Ubicación de las obras de arte h. Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje i. Tipo de suelo j. Cuadro con elementos geométricos e hidráulicos del diseño

Sección típica de un canal

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Donde: 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. En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del tráfico. VII.

CURVA DE UN CANAL:

La construcción de un canal no es como una poligonal con trazos rectos, es necesario proyectar curvas circulares en los cambios bruscos de dirección, el radio de estas curvas no es necesario que sean tan grandes como en el caso de carreteras o vías férreas, pues basta con seleccionar un radio mínimo para la curva del canal. Para el diseño de la curva de un canal se necesita: Datos: f

ó ó

f s Valores por Calcular

s

s

s s

s s . s

s

s

s s

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El diseño de la curva de un canal consiste en determinar básicamente la longitud de curva (Lc), la Subtangente (St), la Progresiva del Principio de Curva (Pc), la Progresiva del Principio de Tangente (Pt), la External (E), la Flecha (F) y la Cuerda Larga (C); pues los valores del radio (R), el valor del ángulo de deflexión ( ) y la progresiva del punto de inflexión (PI) casi siempre son datos conocidos.

Elementos de una Curva en Canales Las fórmulas a emplear son: 

( )

   

( )



( )



( )

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VIII.


RADIO MÍNIMO DE UN CANAL

En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una 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 ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo. Tabla 1: Radio Mínimo en Canales Abiertos Para Q>10 m3/s. CAPACIDAD DE CANAL Hasta 10 m3/seg De 10 a 14 m3/seg De 14 a 17 m3/seg De 17 a 20 m3/seg De 20 m3/seg. A mayor

RADIO MÍNIMO 3* ancho de la base 4* ancho de la base 5* ancho de la base 6* ancho de la base 7* ancho de la base

Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior. Tabla 2: Radio Mínimo en Canales Abiertos en función del Espejo de Agua (T)

CANALES DE RIEGO

CANALES DE DRENAJE

Hasta 10 m3/seg.

4T Colector principal

5T

De 10 a 14 m3/seg.

3T Colector

5T

De 14 a 17 m3/seg.

3T Sub-Colector

5T

Siendo T el ancho superior del espejo de agua. Tabla 3: Radio Mínimo en Canales Abiertos Para Q<20 m3/s. CAPACIDAD DEL CANAL

RADIO MÍNIMO

20 m3/seg. 15 m3/seg.

100 m. 80 m.

10 m3/seg. 5 m3/seg. 1 m3/seg.

60 m. 20 m. 10 m.

0.5 m3/seg.

10 m.

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En base a estas tablas el diseñador puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste a su criterio. CONDICIONES DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA: De todas las secciones la más eficiente es la parabólica, sin embargo por razones constructivas suele adoptarse la trapezoidal y la sección trapezoidal más eficiente es aquella donde el ángulo que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse:

Dónde: R Y

= =

Radio Hidráulico (m). Tirante del canal (m).

Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica, si para la misma área y pendiente conduce el mayor gasto, esta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo o menor área de fricción, la fórmula que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es:

Siendo “b” la plantilla del canal.

CONDICIONES MÍNIMAS DE INFILTRACIÓN: Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en los canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la fórmula que da esta condición es:

El promedio de ambas queda expresado por la siguiente igualdad:

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Tabla 4: Relación Plantilla (b) VS. Tirante Para Máxima Eficiencia Mínima Infiltración y el Promedio de Ambas

TALUD

ANGULO

VERTICAL 1/4 : 1 1/2 : 1 4/7 : 1 3/4 :1 1:1 1 1/4 : 1 1 1/2 : 1 2:1 3:1

90° 75° 58" 63° 26" 60° 16" 53° 08" 45° 00" 38° 40" 33° 41" 26° 34" 18° 26"

MÁXIMA MÁXIMA PROMEDIO EFICIENCIA INFILTRACIÓN 2.000 1.562 1.236 1.161 1.000 0.828 0.702 0.605 0.472 0.325

4.000 3.123 2.472 2.321 2.000 1.657 1.403 1.211 0.944 0.649

3.000 2.343 1.854 1.741 1.500 1.243 1.053 0.908 0.708 0.487

Es necesario remarcar, que no siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones de máxima eficiencia y mínima infiltración, en la práctica se impone una serie de circunstancias o características locales que lo impiden, especialmente cuando se diseña canales en zonas de topografía accidentada como es el caso de la Serranía Peruana. CÁLCULOS DE PÉRDIDAS POR INFILTRACIÓN EN UN CANAL: Este parámetro resulta ser de gran importancia para la evaluación económica de los canales que se van a ejecutar o de los que ya están ejecutados, el cálculo se efectúa en base a un examen de las propiedades hidráulicas del suelo donde intervienen muchas variables, razón por la cual aún no se han establecido ninguna regla general para el cálculo de este valor. Se considera de gran importancia antes de dar inicio a las obras, el estudio del perfil estratigráfico del suelo donde se construirá el canal, para esto se hacen perforaciones a lo largo del eje hasta una profundidad que va más allá del fondo del canal en un metro como mínimo, las perforaciones pueden hacerse como el “Auger Hole” o Barreno tipo holandés, uno cada 100 ó 200 metros, dependiendo de la longitud del canal, por ejemplo, un canal de 1 km. se podría perforar cada 100 metros con lo cual resultarían 11 perforaciones que muy cómodamente podrían hacerse en un día de trabajo.

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Con la información obtenida en campo, se elabora el perfil estratigráfico o textural, en la Tabla 5 se dan valores de pérdidas por infiltración para distintos tipos de revestimientos aplicables a los canales de riego. Tabla 5: Características de distintos revestimientos aplicables a los canales de riego.

Tipo de Revestimientos y espesor

A. Revestimientos superficie dura:

Duración

Pérdidas de Agua ( en m3 por m3 en 24 horas)

de

Menos de 0.03 si se construyen y 50 años, según Hormigón de cemento conservan bien, se estima Portland, sin armar; 5 pero se han comúnmente cm. medido valores Idem, pero 7.6 cm. hasta de 0.15 Idem, pero 10 cm.

En climas suevas y siendo estable el terreno de B. Mortero aplicado fundación, la neumáticamente; sin misma que el armar; 5 cm. hormigón. (Según informes 30 años)

0.03-0.06

Casi la misma que en el caso C. Bloques de hormigón anterior, si el premoldeado; 7cm. mantenimiento se hace como es debido

Si las juntas están bien obturadas, pueden llegarse a 0.03 aprox.

Otras características Importantes Adecuados para cualquier tamaño de canal, en todas las condiciones topográficas, climáticas y de explotación; se requiere un terreno de fundación firme; son vulnerables a las arcillas hinchables; es esencial la disponibilidad de áridos en lugar cercano; construcción por procedimientos manuales o mediante molde deslizante. Idem, pero no se necesitan áridos gruesos; se requiere equipo especial; generalmente antieconómico en obras de gran envergadura; adecuado para fundación de roca meteorizada Ventajosos en los casos en que conviniendo el hormigón, es más económico traerlo premoldeado ( falta de áridos en el lugar, disponibilidad de medios de transporte para el material premoldeado)

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D. SueloCemento (mezcla en seco); 13 cm. SueloCemento ( Plástico); 7.6 cm.


Depende mucho del contenido de cemento; se han registrado casos de 23 años

E. Hormigón asfáltico, moldeado in situ; 5 cm. Hormigón asfáltico; losas prefabricadas; 3.8 cm.

Rara vez más de 15 a 20 años

F. Ladrillo y piedra

Si se construye y se conserva bien, puede durar tanto como el hormigón de cemento

G. Membranas al descubierto Materiales Asfálticos Polivinilo ( 0.19 mm; 8 mil) Resinas

Sólo unas cuantas temporadas de riego

No se conoce H. Caucho sintético 1,44 aún, pero no es mm; 60 mil. inferior a diez años

Aunque menos duradero que el hormigón de cemento Portland, resulta 0.03-0.06 económico por su bajo costo si la excavación proporciona arena adecuada o la hay en lugar cercano Para el moldeo in situ es indispensable disponer de áridos; por su menor duración, el hormigón asfáltico no ofrece ninguna ventaja 0.03 aprox. Pero sobre el hormigón de mucho más en cemento; salvo sobre caso de terrenos de fundación infestación por menos estables (arcillas plantas adventicias hinchables); también presenta mayor resistencia contra ciertas formas de deterioro químico; se deja penetrar por las plantas. Ladrillo con mortero de cemento: 0.03 Métodos que requieren aprox. mucha mano de obra; Piedra: indispensables que relativamente haya material disponible permeable si no se en el lugar de las obras aplica o en sus proximidades. cuidadosamente el mortero Varía mucho según la penetración por Sólo sirven de plantas adventicias revestimiento temporal y otros daños para evitar la infiltración. mecánicos y por efecto de meteorización Insignificantes si Eficacia permanente las membranas se contra la infiltración, si empalman y se las protege contra mantienen daños físicos, pero son debidamente muy costosas.

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Depende mucho de las resistencias a la erosión del material de la cubierta y I. Membranas Enterradas también del mantenimiento ( Asfalto pulverizado in plantas situ adventicias, Menos de 0.06 varaduras, Membrana de asfalto roedores que prefabricadas hacen Menos de 0.08 madrigueras) del Polietileno régimen de (0.24 mm; 10 mil) explotación Menos de 0.06 (descensos del Polivinilo nivel de agua) (0.24 mm; 10 mil) Idem Los registros Caucho Sintético indican una (0.77 mm; 32 mil) duración útil de Menos de 0.03 15 años por lo menos. Es probable que las membranas de cauchos duren mucho más. J. Capa de bentonita ( 4No se 5 cm) informes

tienen

Capa de bentonita (1-3 Menos de 7 años. cm)

K. Sobrevestimiento de lámina de plástico o asfalto pulverizado in situ y encima hormigón premoldeado

---------

Por razones económicas, es Importante que el suelo excavado sea adecuado para servir de material de cubierta. El equipo de calentamiento y pulverización tiene que desplazarse a lo largo del canal; se necesita personal especializado. El material se transporta y coloca con facilidad, pero a veces plantea problemas el desgaste de la cubierta, producido sobre todo por los descensos del nivel de agua.

Al cabo de 7 años, las pérdidas de agua son las mismas que sin revestimiento

Muy eficaz contra la infiltración. No es necesario obturar las Depende de la Prácticamente juntas y grietas del duración útil del impermeables si hormigón, pero a veces revestimiento de se construye como conviene rellenarlas con hormigón es debido algún material para proteger la membrana subyacente.

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L. Revestimientos tierra


de

Se han supuesto Compactados de gran de 20 años para espesor (unos 90 cm) las evaluaciones económicas Compactados de poco espesor (30 cm y menos)

Menos de 0.08 ( 0.02 según algunas mediciones)

M. Tierra suelta ( franca, arcillosa)

N. Tapaporos del suelo Bentonita transportada por el agua Carbonato sódico

Una o temporadas Polímeros resinosos, riego petróleo, emulsiones asfálticas y otros productos químicos rociados sobre el terreno de fundación

O. Conducciones elevadas y tuberías enterradas Unos 50 años Conductos por encima del nivel del terreno

Promedio dos alrededor de 0.30 de después del tratamiento, pero es grande la gama de variación.

Insignificantes si los empalmes están bien obturados

Desde el punto de vista económico es esencial que la excavación proporcione suelo adecuado o que lo haya en una zona de préstamo cercana. Las alternativas de helada y deshielo y de humedad y estiaje son perjudiciales para todos los revestimientos de tierra compactada porque la ahuecan y la vuelven más permeable. Costos iniciales bajos, pero poca eficacia contra la infiltración; poca ventaja en comparación con los canales sin revestir; escasa duración. Útiles para combatir temporalmente la infiltración en los canales sin revestir. El efecto obturador es muy notable inmediatamente después del tratamiento pero puede reducirse a menos de la mitad tras sólo una o dos temporadas de riego. Por su bajo costo, un tratamiento repetido puede ser una solución económicamente adoptable, en vez de otros tipos de revestimientos Relativamente independientes de las condiciones del suelo y topográficas; elevada relación costo/capacidad; sólo interesan económicamente donde el agua es muy cara.

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Tubos de hormigón enterrados ( premoldeados in situ) P. Tubos tendidos sobre la superficie del suelo


Más de 50 años

No se conoce aún

Muy adecuado para Insignificantes si terrenos accidentados o se calafatean bien muy ondulados o donde los empalmes se practique un cultivo intensivo Prácticamente Ídem. cero

MÉTODO DE CAMPO EQUIPO NECESARIO  01 tubo de = 2’’ y longitud 1.00 metros.  01 metro o wincha  01 recipiente pequeño para agua  01 recipiente con capacidad de 20 litros  01 reloj o cronómetro.

PROCEDIMIENTO  Se excava una calicata de 1,0 x 1,0 cuyo fondo coincida con el fondo del canal a construir.

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 Se excava un hueco de 30 cm en el fondo de la calicata, se retiran las piedras y otros agentes extraños, para colocar el tubo en posición vertical dentro del hueco.

 Se compacta el hueco alrededor del tubo apisonando el relleno muy bien en capas de 10 cm.

 Se llena el tubo con agua y se deja 2 horas, tiempo que se estima suficiente para que el suelo alrededor del extremo inferior del tubo se sature.

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 Transcurridas las dos horas, se vuelve a llenar el tubo y al cabo de una hora se mide el descenso, la operación se repite cada hora y el ensayo termina cuando el descenso se hace constante.

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 Por requerir un ensayo, aproximadamente un día entero (supuesto suelos cohesivos) se recomienda de efectuarlo al mismo tiempo en 2 a 4 sitios.  Cuando se presentan descensos fuertes (mayores de 5 cm/hora) reducir los intervalos a ½ y ¼ de hora. Cálculo De La Permeabilidad: El factor de permeabilidad, se calcula según la ecuación:

𝐾

𝑄 𝑅 𝐻

55

𝑇

dónde: Q R H T

: : : :

cm3 de agua puesta en cada intervalo de descenso constante Radio interior del tubo (cm) Altura del agua en el tubo (cm) Intervalo de observación (seg).

Cálculo de la Magnitud de la Infiltración Según Darcy, ésta se calcula mediante la ecuación:

𝑞

𝐾

𝐼

𝐴

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dónde: q K I A

: : : :


Volumen de agua (cm3/seg) Factor de permeabilidad (cm/seg) Gradiente Hidráulico o carga hidráulica Área considerada en cm2

Valores de Permeabilidad de Varios Suelos

TIPO DE MATERIAL Grava limpia Arena Limpia Mezclada con grava Arenas frías mezcladas con limo Depósito de arcilla en estratos Arcilla Homogéneas

K (cm/seg) 10 10-1 - 10-3 muy permeable 10-3 - 10-5 poco permeable 10-5- 10-7 casi permeable 10-7- 10-9 impermeables

Los suelos con permeabilidad de a , son generalmente para canales pequeños y aquellos con permeabilidad menor a son propios para canales de cualquier longitud y magnitud. Método Indirecto De Fórmulas Empíricas Las fórmulas empíricas únicamente dar aproximaciones no muy exactas pero a pesar de todo sirve para hacer una estimación preliminar del problema; los métodos más exactos son los analíticos que por ser muy complicados únicamente sirven para el caso el cual están concebidos. A continuación se presenta algunas fórmulas empíricas, las cuales podrán ser usadas de acuerdo al juicio del ingeniero que diseña: DARVIS Y WILSON: Para estimar la pérdida en canales revestidos sugieren la siguiente ecuación: 𝑞

dónde:

5

𝐶

𝑃

𝐿 65 √𝑣

𝐻

1

q L P H

: : : :

pérdidas de influencia en m3 por longitud de canal por día. Longitud del canal (m) Perímetro mojado (m) Altura de agua en el canal (m)

C

: :

Velocidad del agua en el canal (m/seg) Constante que depende del tipo de revestimiento. 25

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TIPO DE REVESTIMIENTO Y ESPESOR

VALOR DE C

Hormigón 10 cm Arcilla en masa 15cm Asfalto Ligero Arcilla 7.6 cm

1 4 5 8

Mortero de cemento y asfalto

10

EL BUREAU OF RECLAMATION Propone la siguiente ecuación llamada de Moritz

𝑞

𝐶

𝑄 𝑉

Esta fue aprobada en 8 distintos sistemas de canalización. dónde: q : Q : v : C :

pérdidas por infiltración en pies3/seg/milla de canal. Caudal en el canal (pies3/seg) Velocidad del agua en el canal (pies/seg) Constante que depende del tipo de suelo.

TIPO DE SUELO

VALORES DE C

Grava cementada y capa dura con franco arenoso

0.34

Arcilloso y franco arcilloso Franco Arenoso Cenizas volcánicas Arena cenizas volcánicas o arcilla Arenoso con roca Arenoso con grava

0.41 0.66 0.68 1.20 1.68 2.20

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RUGOSIDAD La rugosidad depende del cauce y 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 está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de rugosidad. En conclusión, no siempre estará claro y no es un tema sencillo seleccionar el valor definitivo de rugosidad, ni tampoco definir qué correcciones, se deben introducir al valor inicialmente tomado, únicamente queda efectuar un mantenimiento normal de manera que se pueda mantener el valor “n”.

Influencia del Mantenimiento sobre la Rugosidad

Tabla 6: Influencia de la Rugosidad en la Velocidad y Tirante del Flujo de Agua n 0.025 0.033 0.050

V (m/s) 0.54 0.43 0.32

y (m) 0.82 0.94 1.18

A (m2) 1.84 2.25 3.25

Para:    

b=1.0 Z=1.5 S=0.0005 Q=1.0 m3/seg

27

INGENIERÍA CIVIL


Tratándose de canales no revestidos, Cowan propuso la siguiente fórmula para estimar el valor de rugosidad.

(

)

1

La cual puede ser usada en canales con un radio hidráulico menor de 4.5 m, los valores de N se pueden obtener de la Tabla 7 Tabla 7: Condiciones del Canal y Valores Correspondientes de “N” CONDICIONES DEL CANAL

VALORES

Tierra MATERIAL EMPLEADO

GRADO DE IRREGULARIDAD

VARIACIONES DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL CANAL

EFECTO RELATIVO DE LAS OBSTRUCCIONES

Corte en Roca Grava fina

0.020

0.028

Liso

0.000

Menor Moderado

0.005

N1

0.010

Severo

0.020

Gradual

0.000

Variaciones ocasionales

0.005

N2

Variaciones frecuentes

0.01

Despreciable Menor Apreciable

N3

Severo Medio Alto

Severo

0.010 0.015 0.02

0.030

0.04

0.060

0.005 0.010 N4

0.01

0.015

0.025 0.050 0.05

Menor Apreciable

0.015 0.000

Muy Alto GRADO DE SINUOSIDAD

0.024

Grava gruesa

Bajo VEGETACIÓN

0.025

N0

0.100 1.000

N5

1.150 1.300

28

INGENIERÍA CIVIL


VALORES DE RUGOSIDAD N= 0 014 Valor excelente para estructura de madera, metal pintado u hormigón bajo condiciones usuales, diseñados con un criterio conservador; tiene en cuenta una alineación incluyendo de igual forma curvas y tramos rectos entre dichas curvas; se adapta a las superficies que resultan de unir porciones bien articuladas o a las de hormigón inyectado bien alisado; está previsto para un ligero crecimiento de algas o pequeños depósitos de limo o un ligero deterioro. N=0.015 Canales de tablones de madera rugosa con curvas formadas por cambios(desviaciones)angulares de corta longitud; para canales metálicos con piezas de compresión superficial que sobresalen dentro de la sección ; en caso contrario, de n=0.013; para construcción con laterales de primera clase y fondo toscamente alisado o para construcción de clase n=0.014 con importante depósito de limo o grava; valor adecuado con depósitos de grava fangosos; valor adecuado para uso con agua con lodo en suspensión para hormigón vertido o inyectado; para hormigón pulido que se hace estacionalmente rugoso por crecimiento de larvas o algas , toma el valor de n=0.015 o superior; el valor más alto para una combinación de grava de la clase superior y hormigón. N=0.016 Para revestimiento con piezas de madera sin devastar que transportan agua clara con una pequeña cantidad de detritus; revestimientos de clase n= 0.014 con poblaciones de algas razonablemente densas; o grandes cantidades de detritus de guijarros; o viejos revestimientos reparados con una capa delgada de mortero de cemento; o grandes incrustaciones calizas; canales de tierra en las mejores condiciones posibles, con depósitos de fango alisado, libres de musgo y trazado casi recto ; exacto en cuanto a pendiente y sección; no debe usarse para diseño. N=0.017 Para agua clara sobre fondo de primera clase y laterales de mampostería excelente o fondo de roca lisa y laterales de tablones de madera; revestimiento por vertido, rugoso, con juntas de dilatación irregulares; valor básico para hormigón inyectado sobre una base de tierra suavemente lisa; tal superficie es ostensiblemente rugosa y áspera al tacto; ondulaciones del orden de 0.025.

29

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N=0.018 Aproximadamente el límite superior para construcción de hormigón en cualquier condición de trabajo practicable; hormigón muy rugoso con curvas muy pronunciadas y depósitos de grava y musgo; valor de diseño mínimo para mampostería uniforme; o laterales de hormigón y fondo natural del canal; para suelos de cenizas volcánicas sin vegetación; valor mínimo para canales grandes de clase superior con limo muy fino. N=0.020 Para hierro tuberculado; albañilería en mal estado; canales bien construidos en tierra firme o grava fina bien compactada donde las velocidades son tales que el limo puede llenar los intersticios en la grava; alineación recta, orillas limpias; grandes canales de clases n=0.0225. N=0.0225 Para tubo corrugado con funciones hidráulicas calculadas a partir del diámetro interno mínimo; valor medio; canal bien construido en material que eventualmente tendrá un fundo bastante liso con grava clasificada, vegetación en los bordes, y trazado medio con depósitos de limo a ambos lados del fondo y unas pocas piedras en el centro; capas duras (hardpan) en buenas condiciones; suelos arcillosos y de ceniza de lava. Para los mayores cauces de este tipo su valor original es de n=0.020. N=0.025 Para canales donde sean ostensibles musgo, hierba densa cerca de los bordes o guijarros dispersos. Canales en tierra conservados deficientemente, tienen este valor o superior; un valor adecuado para pequeñas zanjas de cabecera que sirvan a un par de fincas; para canales totalmente deteriorados y sometidos por tanto a arrastres rodados; valor mínimo para excavación en roca alisada con hormigón inyectado. N=0.0275 Canales con fondo de guijarros, que se presenta típicamente cerca de las desembocaduras de los cañones; valor solamente aplicable cuando los guijarros están ordenados según tamaños formando una masa bien compacta; puede alcanzar 0.040 para grandes cantos rodados y arena pesada.

30

INGENIERÍA CIVIL


N=0.030 Canales con gran crecimiento de musgo, bordes irregulares de los que cuelgan densas raicillas; fondo cubierto con grandes fragmentos de roca o lecho muy descarnado por la erosión.

N=0.035 Para grandes canales de tipo medio con aproximadamente un 50% obstruido por crecimiento de musgo y con trazado y régimen irregulares; pequeños canales con una variación considerable en la sección transversal mojada y trabajos de conservación bianuales; para canales de avenidas no conservados continuamente; para cortes en la roca no trabajados y túneles basados en sección transversal de ¨papel¨ (considera la diferencia entre la sección proyectada y la realmente obtenida tras la construcción). N=0.040 Para canales muy segados con musgo, o intenso crecimiento de maleza; canales anchos que se asemejan al lecho de un arroyo, en lo que se recogen grandes guijarros y cantos rodados. N=0.05 – 0.06

Cauces de avenidas mal conservados; canales con dos tercios de su sección inutilizados por la vegetación. N=0.06 – 0.240 Cauces de avenidas a través de bosque y maleza, pendiente de fricción de 0.20 a 0.40 m por kilómetro. Tabla 8: VALORES DE n DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS FORMULAS DE KUTTER Y MANNING CONDICIONES DE LAS PAREDES SUPERFICIE Tubería fierro forjado negro comercial. Tubería fierro forjado galvanizado comercial Tubería de latón o de vidrio. Tubería acero remachado en espiral. Tubería de barro vitrificado. Tubos comunes de barro para drenaje Tabique vidriado.

PERFECTAS

BUENAS

MEDIANAMENTE BUENAS

MALAS

.012

.013

.014

.015

.013

.014

.015

.017

.009 .013 .010 .011 .011

.010 .015 .013 .012 .012

.011 .017 .015 .014 .013

.013 .017 .017 .015

31

INGENIERÍA CIVIL Tabique con mortero de cemento; albañales de tabique. Superficies de cemento pulido. Superficies aplanadas con mortero de cemento. Tuberías de concreto. Tuberías de duela. ACUEDUCTOS DE TABLON: Labrado Sin labrar Con astillas Canales revestidos con concreto. Superficie de mampostería con cemento. Superficie de mampostería ceca. Acueductos semicirculares metálicos, lisos. Acueductos semicirculares metálicos corrugados. CANALES Y ZANJAS: En tierra, alineados y uniformes. En roca, lisos y uniformes. En roca, con salientes y sinuosos. Sinuosos y de escurrimiento lento. Dragados en tierra. Con lecho pedregoso y bordes de tierra enhierbados. Plantilla de tierra, taludes ásperos. CORRIENTES NATURALES: 1) Limpios, bordos rectos, llenos, sin hendeduras ni churcos profundos. 2) Igual al (1) pero con algo de hierba y piedra. 3) Sinuoso, algunos charcos y escollos, limpio. 4) Igual al (3), de poco tirante, con pendiente y sección menos eficiente. 5) Igual al (3), algo de hierba y piedras. 6) Igual al (4), secciones pedregosas. 7) Ríos perezosos, cauce enhierbado o con charcos profundos. 8) Playas muy enhierbadas.


.012

.013

.015

.017

.010

.011

.012

.013

.011

.012

.013

.015

.012 .010

.013 .011

.015 .012

.016 .013

.010 .011 .012 .012

.012 .013 .015 .014

.013 .014 .016 .016

.014 .015

.017

.020

.025

.030

.025

.030

.033

.035

.011

.012

.013

.015

.0225

.025

.0275

.030

.017 .025 .035 .0225 .025

.020 .030 .040 .025 .0275

.0225 .033 .045 .0275 .030

.025 .035

.025

.030

.035

.040

.028

.030

.033

.035

.025

.0275

.030

.033

.030

.033

.035

.040

.033

.035

.040

.045

.040

.045

.050

.055

.035

.040

.045

.050

.045

.050

.055

.060

.050

.060

.070

.080

.075

.100

.125

.150

.018

.030 .033

32

INGENIERÍA CIVIL


Tabla 10: Taludes Apropiados para Distintos Tipos de Material TALUD HORIZONTAL: VERTICAL

MATERIAL Roca

Prácticamente vertical

Suelos de Turba y Detritos

0.25:1

Arcilla Compacta o Tierra recubrimiento de concreto

con

Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales Arcilla firme o tierra en canales pequeños Tierra arenosa suelta Greda arenosa o arcilla porosa

0.5: hasta 1:1 1:1 1.5:1 2:1 3:1

Tabla 11: Pendientes Laterales en Canales Según Tipo de Suelo

MATERIAL Roca en buenas condiciones Arcillas compactadas o conglomerados Limos Arcillosos Limos Arenosos Arenas Sueltas Concreto

CANALES POCO PROFUNDOS

CANALES PROFUNDOS

vertical

1/4 : 1

0.5:1

1:1

1:1 1.5:1 2:1 1:1

1.5:1 2:1 3:1 1.5:1

VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE: La velocidad mínima permisible: es aquella velocidad mínima que no permite sedimentación, su valor es muy incierto y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece al crecimiento de las plantas; cuando se trata de canales en tierra, da el valor 0.762 m/seg. Como la velocidad apropiada que no produce sedimentación y además impide el crecimiento de la vegetación en el canal.

33

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Tabla 9: Valores de Rugosidad “n” de Maning n 0.01 0.011 0.013 0.017

0.025

Superficie Muy lisa, vidrio, plástico, cobre Concreto muy liso Madera suave, metal, concreto Canales de tierra en buenas condiciones Canales naturales de tierra, libres de vegetación Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo

0.035 0.04

Canales naturales con abundante vegetación Arroyos de montaña con muchas piedras

0.02

TALUDES APROPIADOS SEGÚN EL TIPO DE MATERIAL La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados. El U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda un talud único de 1.5:1 para los canales usuales en sus diseños. Se debe precisar que la unidad corresponde siempre al valor horizontal, conocido comúnmente con la letra z. La velocidad máxima permisible: Es algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio Ingenieril. A continuación se dan varias tablas que son de mucha ayuda en el diseño de canales (Tabla 12, 13 y 14) Para canales revestidos de hormigón, se presenta en la Tabla 13 los valores de velocidad recomendados por Chugaiev en función de la resistencia del hormigón. Tratándose de la velocidad máxima permisible, en general canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos, por otra parte un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos. La Tabla 15, nos da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo el BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg, para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante.

34

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TABLA 12: MAXIMA VELOCIDAD PERMITIDA SEGÚN FORTIER Y SCOBEY EN CANALES NO RECUBIERTOS DE VEGETACION

VELOCIDAD(m/s)

AGUA LIMPIA

AGUA CON PARTICULAS COLOIDALES

AGUA TRANSPORTANDO ARENA, GRAVA O FRAG.

0.020

1.450

0.750

0.450

0.020

0.530

0.750

0.600

0.020

0.600

0.900

0.600

0.020

0.600

1.050

0.600

0.020

0.750

1.050

0.680

Ceniza volcánica Arcilla consistente muy coloidal Limo aluvial, coloidal

0.020

0.750

1.050

0.600

0.025

1.130

1.500

0.900

0.025

1.130

1.500

0.900

Pizarra y capas duras

0.025

1.800

1.800

1.500

Grava fina Suelo franco clasificado no coloidal Suelo franco clasificado coloidal Grava gruesa no coloidal

0.020

0.750

1.500

1.130

0.030

1.130

1.500

0.900

0.030

1.200

1.650

1.500

0.025

1.200

1.800

1.950

Gravas y guijarros

0.035

1.800

1.800

1.500

MATERIAL DE LA CAJA DEL CANAL

¨n¨ MANNING

Arena fina coloidal Franco arenoso, no coloidal Franco limoso no coloidal Limos aluviales, no coloidales Franco consistente normal

35

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TABLA 13: VELOCIDADES PERMISIBLES EN SUELOS NO COHESIVOS (m/s)

DIAMETRO MEDIO DE LAS PARTICULAS EN mm 0.005-0.05

0.40

1.00

0.15-0.2

0.2-0.3

0.25-0.40 0.30-0.45 0.40-0.55

0.45-0.65

Arena fina

0.05-0.25

0.20-0.35

0.3-0.45

0.40-0.55 0.45-0.60 0.55-0.70

0.65-0.80

arena media

0.25-1.00

0.35-0.50 0.45-0.60 0.55-0.70 0.60-0.75 0.70-0.85

0.80-0.95

Arena gruesa

1.00-2.5

0.50-0.65 0.60-0.75 0.70-0.80 0.75-0.90 0.80-1.00

0.95-1.20

Gravilla fina

2.5-5.00

0.65-0.80 0.75-0.85 0.80-1.00 0.90-1.10 1.00-1.20

1.20-1.50

Gravilla media

5.00-10.00

0.80-0.90 0.85-1.05 1.00-1.15 1.10-1.30 1.20-1.45

1.50-1.75

Gravilla gruesa

10.00-15.00

0.90-1.10 1.05-1.20 1.15-1.35 1.30-1.50 1.45-1.65

1.75-2.00

Grava fina

15.00-25.00

1.10-1.25 1.20-1.45 1.35-1.65 1.50-1.85 1.65-2.00

2.00-2.30

Grava media

25.00-40.00

1.25-1.50 1.45-1.85 1.65-2.10 1.85-2.30 2.00-2.45

2.30-2.70

Grava gruesa

40.00-75.00

1.50-2.00 1.85-2.40 2.10-2.75 2.30-3.10 2.45-3.30

2.70-3.60

75.00-100

2.00-2.45 2.40-2.80 2.75-3.20 3.10-3.50 3.30-3.80

3.60-4.20

Guijarro medio

100.0-150.0

2.45-3.00 2.80-3.35 3.20-3.75 3.50-4.10 3.80-4.40

4.20-4.50

guijarro grueso

150.0-200.0

3.00-3.50 3.35-3.80 3.75-4.30 4.10-4.65 4.40-5.00

4.50-5.40

Canto rodado fino

200.0-300.0

3.50-3.85 3.80-4.35 4.30-4.70 4.65-4.90 5.00-5.50

5.40-5.90

Canto rodado medio

300.0-400.0

---

Canto rodado grueso

400.0-500.0

---

MATERIAL

Polvo y limo

Guijarro fino

PROFUNDIDAD MEDIA DE LA CORRIENTE EN METROS 2.00

3.00

5.00

más de 10

4.35-4.75 4.70-4.95 4.90-5.30 5.50-5.60 --

4.95-5.35 5.30-5.50 5.60-6.00

36

5.90-6.00 6.00-6.20

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TABLA 14: VELOCIDADES PERMISIBLES EN SUELOS COHESIVOS (m/s)

PORCENTAJES DEL CONTENIDO DE PARTICULAS

PROFUNDIDADES MEDIAS DE LA CORRIENTE EN METROS

MATERIAL 0.005 (mm)

Arcilla, tierras Fuertemente arcillosas Ligeramente arcillosas Suelos de aluvión Arcillas margosas Tierras arenosas

Suelos poco compactos, peso 0.005-0.05 volumétrico seco hasta 3 (mm) 1.66 T/m

30-50

70-50

20-30

80-70

10-20

90-80

5-10

20-40

Suelos medianamente compactos, peso volumétrico seco 3 1.2-1.66 T/m

Suelos compactos Peso volumétrico seco 3 1.66-2.04 T/m

Suelos muy compactos. Peso volumétrico seco 3 2.04-2.14 T/m

0.4 0.35

1.0 0.4

2.0 0.45

3.0 0.5

0.4 0.7

1.0 0.85

2.0 0.95

3.0 1.1

0.4 1

1.0 1.2

2.0 1.4

3.0 1.5

0.4 1.4

1.0 1.7

2.0 1.9

3.0 2.1

0.35

0.4

0.45

0.5

0.65

0.8

0.9

1

0.95

1.2

1.4

1.5

1.4

1.7

1.9

2.1

0.6

0.7

0.8

0.85

0.8

1

1.2

1.3

1.1

1.3

1.5

1.7

SEGÚN TABLA 13

37

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Tabla 15: VELOCIDADES MAXIMAS DE HORMIGON EN FUNCION DE SU RESISTENCIA RESISTENCIA Kg/cm2 50 75 100 150 200

0.5 9.6 11.2 12.7 14.0 15.6

PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN METROS 1 3 5 10.6 12.3 13 12.4 14.3 15.2 16.0 16.0 17.0 18.0 18.0 19.1 20.0 20.0 21.2

10 14.1 16.4 18.3 20.6 22.9

BORDE LIBRE No existe ninguna regla fija que se puede aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que la fluctuación de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. Las figuras a y b; y las tablas 16 y 17 son una guía para su cálculo; algunos autores lo estiman igual al 30% del tirante normal como máximo y 5% como mínimo.

Fig. (a). Altura del Terraplén y Borde libre sobre la Superficie del Agua. 38

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Fig. (b). Bordes Libres permitidos en canales revestidos La secretaría de recursos hidráulicos de México, citado por agricultura, recomienda los siguientes valores en función del caudal: TABLA 16: BORDE LIBRE EN FUNCION DEL CAUDAL

GASTO (m3/s)

REVESTIDO(cm)

SIN REVESTIR(cm)

≤ 0.05

7.50

10.00

0.05-0.25

10.00

20.00

0.25-0.50

20.00

40.00

0.50-1.00

25.00

50.00

˃ 1.00

30.00

60.00

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VILLON, da una tabla con valores en función de la plantilla del canal. TABLA 17: BORDE LIBRE EN FUNCION DE LA PLANTILLA DEL CANAL

ANCHO DE LA PLANTILLA (m)

BORDE LIBRE (m)

Hasta 0.8

0.4

0.8-1.5

0.5

1.5-3.0

0.6

3.0-20.0

1.0

LAS CONSIDERACIONES DE UTILIDAD PRÁCTICA EN CANALES DE CONCRETO Debido al alto costo de los canales revestidos estos suelen diseñarse a máxima eficiencia siendo el máximo declive de los taludes de 1:1,5 cuando solo trata de canales grandes y 1:1 para el caso de canales pequeños. TERRENO DE FUNDACION: Tratándose de canales revestidos de concreto, es indispensable que el terreno donde se construirá revestimiento deba tener firmeza, ya que de esta manera se reduce la posibilidad de dietas o roturas por asentamiento de subsuelo. De otro lado, deba entenderse, que cuando se ha decidido revestir de concreto un canal, ya han sido evaluadas sus ventajas y desventajas, lo cual implica un conocimiento del terreno de fundación a lo largo del eje del canal y en toda su longitud. Cuando se trata de un revestimiento de concreto sobre arcillas expansivas existen tantas maneras de evitar los daños probables. Al respecto Kraatz (8) Pag.58 manifiesta: Que la presión requerida para evitar dilatación de las arcillas varia 0,07 km/cm 2 hasta unos 10.5 kg/cm2 y la arcilla encontrada puede recubrirse con un suelo contacto no expansivo, colocando el revestimiento encima obteniéndose buenos resultados, si las arcillas expansivas se presentan con una pequeña lamina resulta más eficaz excavar a una mayor profundidad y remplazar la arcilla por lo grava. El peor problema para los diseñadores, es decidir cuándo y en qué medida son necesarias las medidas preventivas contra los suelos expansivos, cuando el peligro es obvio no hay problema, es en los casos que están en la incertidumbre de un hinchamiento potencial allí está el reto. Pues todos los métodos de 40

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preocupación aumentan el costo, la decisión de no tomar precauciones tomarlas al mínimo o del todo es el aspecto más difícil en este complejo asunto. El Ingeniero G. Robert Fuller del federal Housing Administración, (7), lo expone sucintamente: mi experiencia en general me lleva a creer que no existe una solución que se pueda aplicar en forma universal. Finalmente debemos decir que el índice de plasticidad (I.P) es el primer indicador de suelos expansivos y cuando está relacionado con el porcentaje de arcilla en la muestra también es un indicador del grado del problema. Elvin F. Henry, hizo un inventario de 151 pruebas resultantes de muchos lugares en los Estados Unidos y Hawái; y aunque las pruebas del I.P son un estimado nos indican lo siguiente: INDICE DE PLASTICIDAD (I.P)

GRADO DEL PROBLEMA

0-14

No critico

14- 25

Marginal

25-40

Critico

Más de 40

Altamente Critico

Las pruebas del (I.P) son una herramienta económica muy usada para indicar el problema expansivo de los suelos. DRENAJE Cuando se construyen los canales revestidos en terrenos donde el nivel freático alcance una altura superior al fondo del cauce del canal, la presión hidrostática externa contra el revestimiento puede levantarlo o agrietarlo, principalmente cuando el canal este vacío o el nivel de agua dentro del sea menor al nivel freático, estos se ubican tanto en el fondo como en los taludes. Los DRENES o “LLORADORES” sirven para aliviar la presión hidrostática de agua subterránea o nivel freático que se acumula detrás del revestimiento del canal, evitando que lo levante o agriete, principalmente cuando el canal está vació o leve poco caudal. Estos DRENES son huecos de  = 1” – 2” que se perforan en el fondo y taludes del canal revestido, descargando directamente al canal.

41

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La distancia vertical entre filas de lloradores debe ser  ó - 1.50 m y la separación entre llorador y llorador de una misma fila es  10 m. Según KRAATZ: El distanciamiento de estos drenes pueden ser de 3 a 6 mts.

Sistema de drenaje para proteger un revestimiento de ladrillo en suelo de poca permeabilidad

ESPESORES DE REVESTIMIENTO: No existe una regla en general que fije el espesor de los revestimientos de concreto; sin embargo se puede usar un espesor de 5 cm. A 7.5 cm. Para canales pequeños y medianos y de 7.5 a 10 cm. Para canales medianos y grandes siempre que los canales sean sin armadura. Y también tiene dependencia de los siguientes factores:

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PROPIEDADES DEL SUELO  Se han producido "quebraduras y otros deterioros" al revestir de concreto sobre arcillas hinchables o yeso, roca calcárea o cavernosa.  Debe preferirse un "revestimiento más flexible", "tierra compactada o membrana enterrada".  Si los tramos son cortos de estos suelos inadecuados, puede ser ventajoso excavar éste hasta una cierta profundidad, sustituirlo por "arena" u "otro material" apropiado para servir de terreno de cimentación a un revestimiento de superficie dura.  A veces es posible apartarse de los subsuelos inadecuados mediante cambios en el trazado del canal.  Si en la excavación del canal existen cantidades suficientes de arena y grava o pueden traerse estos materiales de lugares no muy distantes, quizá interese optar por un REVESTIMIENTO DE HORMIGÓN ó de suelo-cemento. TOPOGRAFÍA  Si la topografía es accidentada se puede adoptar las redes de tuberías y conductos elevados, también los canales revestidos de concreto, ladrillo o tierra (éste último es recomendable en terrenos horizontales o de poco declive).  Los canales con revestimiento de concreto se acomodan mejor a las curvas de nivel, ya que las admiten de un radio mucho menor que los de tierra, así mismo permiten un mayor declive longitudinal.  En los canales cuyo revestimiento es de tierra, quizá hagan falta estanques de amortización y medidas de protección, por lo que estas exigencias inducen a que generalmente se prepara el revestimiento de concreto. NIVEL DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS  Si el nivel de las aguas subterráneas se halla a mayor altura que el fondo de un canal, el vaciado del mismo puede dar lugar a que el revestimiento quede sometido a una presión hidrostática externa.  De no haber medios de DRENAJE, esta presión habrá de contrarrestarse con el PESO MUERTO a la elasticidad del revestimiento.  Se sabe de fracturas en revestimiento porque su insuficiencia de peso o su exceso de rigidez no les permitieron soportar la presión, ocurre esto especialmente con revestimientos bituminosos delgados, morteros de cemento y recubrimientos de concreto de poco espesor, ladrillos y losas de piedra. En cambio, revestimientos de tierra muy compactadla han sido siempre satisfactorios en tales circunstancias.

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EL APROVECHAMIENTO DE LA TIERRA Y USOS SISTEMAS DE RIEGO El mejoramiento en los sistemas de riego, las concentraciones parcelarias, sustitución del suministro continúo por el de rotación, diversificación de cultivos y otras iniciativas. Estos cambios implican casi siempre un aumento de la longitud total de los canales y acequias, así como de la capacidad. En estos casos debe considerarse la conveniencia de poner revestimientos de concreto para reducir al mínimo la ocupación del terreno por la red de distribución. EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO  Así mismo se evitará el deterioro acelerado si la explotación del sistema de

canales obliga a llenarlos y vaciarlos con frecuencia.  Puede ocurrir que un revestimiento en tierra, crece maleza, la mano de obra sea cara y el costo del mantenimiento de la tierra o membrana, en comparación con el de la mayoría de los revestimientos, sea tan alto que rebase la diferencia entre los costos de instalación.  La adopción de revestimientos delgados de "arcilla" o tierra compactada está limitada por el peligro de daños a consecuencia del tránsito de ganado, las faenas de limpieza. ESTANQUEIDAD  Si el agua tiene mucho valor y son grandes las pérdidas por infiltración

determinadas por medición o estimación, no cabe duda de que conviene adoptar un tipo de revestimiento que sea bastante estanco.  Probablemente, ninguno es más impermeable y duradero que una "membrana de plástico", asfalto o caucho, colocada debajo de un revestimiento normal de hormigón.  En un proyecto se estimó que la infiltración a través de un revestimiento de 10 cm. de concreto era de 21 litros/m /día como promedio y que en "Sub forro" de cloruro de polivinílico reduciría esta cifra en un 95%. DURACIÓN  Depende del tipo de revestimiento, calidad de los materiales, del esmero y la

exactitud de la instalación, clima, régimen de explotación del canal y del mantenimiento.  Si se construye y conserva debidamente, los REVESTIMIENTOS DE HORMIGON (concreto) tienen normalmente una duración útil de 40 años por

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los menos (En muchos países: 50 años, en California: +66 años).  Según JOSEPH, efectuando normalmente las reparaciones normales un canal REVESTIDO de LADRILLO y CEMENTO puede durar 20 años y 50 años de vida útil para las TUBERIAS DE CONCRETO enterradas.  Una CAPA de ASFALTO y ARCILLA mezclado (se usa en la India) dura 5 años, con un gasto anual del 10% en mantenimiento. DISPONIBILIDAD DE MATERIALES DE CONSTRUCCION  Por razones económicas, es muy importante en el caso de revestimientos

permanentes de gran espesor que el material necesario para construirlos se encuentre en el lugar de las obras o no muy lejos. DISPONIBILIDAD DE MANO DE OBRA Y MAQUINARIA  Algunos revestimientos son apropiados para colocación a mano, mientras que

otros puede mecanizarse.  Pueden construirse económicamente mediante trabajo manual y ayudados por animales da carga y tiro, revestimiento de tierra compactada en canales pequeños y medianos.  Para canales grandes, si el espesor de la tierra apisonada excede de 0.5 m, es imprescindible contar con máquinas de remoción y compactación de tierras, trailers, rodillos con patas de cabra, etc.; si no se dispone de este equipo a costo razonable, resultará más económico construir "revestimiento de ladrillo" que otros más gruesos de tierra compactada.  Se da con frecuencia el caso de que sea necesario terminar pronto la ejecución de un proyecto de riego para obtener beneficios cuanto antes. En tal caso se impone seguir "Métodos de Revestimientos Rápidos'", lo que ¡Hiede implicar que se adopten las técnicas de colocación a máquina, con preferencia a las manuales. COSTO Y ASPECTOS FINANCIEROS  El costo de un determinado revestimiento ha de compararse con los beneficios

que pueden obtenerse.  En teoría, conviene adoptar la solución más económica, sea cual fuere su costo. No obstante, en la práctica la decisión de revestir o no, así cano la elección de uno u otro tipo de revestimiento, suele depender de la cuantía de los recursos financieros asignados al Proyecto.  En el caso de que la solución mejore desde el punto de vista económico sea más costosa de lo que permitan los fondos, con que se cuenta, ha de buscarse una solución ajustándose a los siguientes criterios: 45

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1.

Elegir un revestimiento menos caro, que pueda aplicarse desde un principiad toda la red de canales y cuyo costo no sea mayor que los recursos disponibles.

2.

Para el revestimiento costoso a los canales en construcción hasta donde lo permitan los fondos, dejando el resto sin revestir en espera de que se arbitren nuevos recursos. La obra se hace por etapas.

JUNTAS Se puede definir cuatro tipos de juntas comúnmente usadas en el revestimiento de canales:

JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN: Son aquellas que se colocan debido a la interrupción de los trabajos, es común hacerlas coincidir con los otros tipos de juntas.

JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN TRANSVERSALES: Se instalan para prevenir el agrietamiento transversal debido a la disminución de volumen del concreto por cambios de temperatura y pérdida de humedad al curarse; la separación entre ellas no debe exceder los 5 m.

JUNTAS DE CONTRACCIÓN LONGITUDINALES: Sirven para prevenir el agrietamiento longitudinal en canales, cuyo perímetro de revestimiento es igual o mayor a 9 m. Y se espacian entre sí de 2,5 a 4,5 m.

JUNTAS DE DILATACIÓN O EXPANSIÓN: Se instalan cuando el canal entra en contacto con estructuras fijas. El autor recomienda para este tipo de juntas y tratándose revestimientos sin armadura, los siguientes espaciamientos: Espesor (CM)

Separación entre juntas (m)

5 a 7,5 7,5 a 10,0

2,5 a 3,5 3,5 a 4,0

También se acepta una separación equivalente a 50 veces el revestimiento.

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SECIONES TRAPEZOIDALES NORMALIZADAS La Sociedad Americana de Ingenieros agrícolas citada por kraatz, recomienda las dimensiones de la tabla 18, según la Figura.

Sección Trapezoidal Normalizada TABLA 18: DIMENSIONES DE LA SECCIONES TRAPEZOIDALES NORMALIZADAS

SECC.

z

a

b

c

e. min

e. máx.

R

A1 A2

1.1 1:1

14,07 26,07

12,00 24,00

4,00 4,00

15,00 15,00

30,00 30,00

9,0 18,00

B2

1,5:1

25,51

24,00

6,00

24,00

48,00

18,00

B3 B5

1,5:1 1,5:1

37,51 49,51

36,00 48,00

6,00 6,00

27,00 33,00

54,00 66,00

18,00 18,00

B6

1,5:1 1,5:1

61,51 73,51

60,00 72,00

6,00 6,00

36,00 42,00

72,00 84,00

18,00 18,00

CÁLCULO DE SECIONES HIDRAULICAS Secciones hidráulicas en el flujo uniforme La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:

𝑄

𝑛

𝐴𝑅

𝑆1

Dónde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Área (m2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo

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En la siguiente tabla se muestra las secciones más utilizadas: Tabla 19: Relaciones Geométricas De Las Secciones Transversales Más Frecuentes

Los problemas que comúnmente se presentan son los que se desea conocer el tirante. Las siguientes tablas (Tabla 20 y Tabla 21) son usadas para la resolución de algunos problemas. TABLA 20: FORMULA DE MANING EN CANALES ABIERTOS VALORES DE : 9 1

y/b .02 .03 .01 .05 .06 .07 .08

z=0 .00213 .00414 .00661 .00947 .0127 .0162 .0200

z=1/4 .00215 .00419 .00670 .00964 .0130 .0166 .0200

z=1/2 .00216 .00423 .00679 .00980 .0132 .0170 .0211

z=3/4 .00217 .00426 .00685 .00991 .0134 .0173 .0216

z=1 .00218 .00429 .00690 .0100 .0136 .0176 .0219

z=1 1/4 .00219 .00431 .00696 .0101 .0137 .0177 .0222

z=1 1/2 .00220 .00433 .00700 .0102 .0138 .0180 .0225

z=1 3/4 .00220 .00434 .00704 .0103 .0140 .0182 .0228

z=2 .00221 .00437 .00707 .0103 .0141 .0183 .0231

z=3 .00223 .00443 .00722 .0106 .0145 .0190 .0240

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INGENIERÍA CIVIL .09 .10 .11 .12 .13 .14 .15 .16 .17 .18 .19 .20 .21 .22 .23 .24 .25 .26 .27 .28 .29 .30 .31 .32 .33 .34 .35 .36 .37 .38 .39 .40 .41 .42 .43 .44 .45 .46 .47 .48 .49 .50 .52 .54 .56 .58 .60 .62

.0240 .0283 .0329 .0376 .0425 .0476 .0528 .0582 .0638 .0695 .0753 .0813 .0873 .0935 .0997 .106 .113 .119 .126 .133 .139 .146 .153 .160 .167 .174 .181 .190 .196 .203 .210 .218 .225 .233 .241 .249 .256 .263 .271 .279 .287 .295 .310 .327 .343 .359 .375 .391

.0249 .0294 .0342 .0393 .0446 .0501 .0559 .0619 .0680 .0744 .0809 .0875 .0944 .101 .109 .116 .124 .131 .139 .147 .155 .163 .172 .180 .189 .198 .207 .216 .225 .234 .244 .254 .263 .279 .282 .292 .303 .313 .323 .333 .345 .356 .377 .398 .421 .444 .468 .492

HIDRÁULICA APLICADA .0256 .0305 .0354 .0408 .0464 .0524 .0585 .0650 .0717 .0786 .0857 .0932 .101 .109 .117 .125 .133 .142 .151 .160 .170 .179 .189 .199 .209 .219 .230 .241 .251 .263 .274 .286 .297 .310 .321 .334 .346 .359 .371 .384 .398 .411 .438 .468 .496 .526 .556 .590

.0262 .0311 .0364 .0420 .0480 .0542 .0608 .0676 .0748 .0822 .0900 .0979 .106 .115 .124 .133 .142 .152 .162 .172 .182 .193 .204 .215 .227 .238 .251 .263 .275 .289 .301 .314 .328 .342 .356 .371 .385 .401 .417 .432 .448 .463 .496 .530 .567 .601 .640 .679

.0267 .0318 .0373 .0431 .0493 .0559 .0628 .0699 .0775 .0854 .0936 .102 .111 .120 .130 .139 .150 .160 .171 .182 .193 .205 .217 .230 .243 .256 .270 .283 .297 .311 .326 .341 .357 .373 .389 .405 .422 .439 .457 .475 .492 .512 .548 .590 .631 .671 .717 .763

.0271 .0324 .0380 .0441 .0505 .0573 .0645 .0720 .0800 .0883 .0970 .106 .115 .125 .135 .146 .157 .168 .180 .192 .204 .217 .230 .243 .257 .272 .287 .302 .317 .333 .349 .366 .383 .401 .418 .437 .455 .475 .494 .514 .534 .556 .599 .644 .690 .739 .789 .841

.0275 .0329 .0387 .0450 .0516 .0587 .0662 .0740 .0823 .0910 .100 .110 .120 .130 .141 .152 .163 .175 .188 .201 .214 .227 .242 .256 .271 .287 .303 .319 .336 .354 .371 .389 .408 .427 .447 .467 .487 .509 .530 .552 .575 .599 .646 .696 .748 .802 .858 .917

.0279 .0334 .0394 .0458 .0527 .0599 .0677 .0759 .0845 .0936 .103 .113 .123 .134 .146 .157 .170 .182 .195 .209 .223 .238 .253 .269 .286 .301 .318 .336 .354 .373 .392 .412 .432 .453 .474 .496 .519 .541 .565 .589 .614 .639 .692 .746 .803 .863 .924 .989

.0282 .0339 .0400 .0466 .0537 .0612 .0692 .0776 .0867 .0961 .106 .116 .127 .139 .151 .163 .176 .189 .203 .217 .232 .248 .264 .281 .298 .315 .334 .353 .372 .392 .412 .433 .455 .478 .501 .524 .548 .574 .600 .626 .652 .679 .735 .795 .856 .922 .988 1.06

.0296 .0358 .0424 .0497 .0575 .0659 .0749 .0845 .0947 .0105 .117 .129 .142 .155 .169 .184 .199 .215 .232 .249 .267 .286 .306 .327 .348 .369 .392 .416 .440 .465 .491 .518 .545 .574 .604 .634 .665 .696 .729 .763 .797 .833 .906 .984 1.07 1.15 1.24 1.33

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INGENIERÍA CIVIL .64 .66 .68 0.70 0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80 2.90

.408 .424 .441 0.457 0.474 0.491 0.508 0.525 0.542 0.559 0.576 0.593 0.610 0.627 0.645 0.662 0.680 0.697 0.714 0.759 0.802 0.846 0.891 0.936 0.980 1.02 1.07 1.11 1.16 1.20 1.25 1.30 1.34 1.39 1.43 1.48 1.52 1.57 1.61 1.71 1.79 1.89 1.98 2.07 2.16 2.26 2.35 2.44

.516 .541 .566 0.591 0.617 0.644 0.670 0.698 0.725 0.753 0.782 0.810 0.839 0.871 0.898 0.928 0.960 0.991 1.02 1.10 1.19 1.27 1.36 1.45 1.54 1.64 1.74 1.84 1.94 2.05 2.15 2.27 2.38 2.50 2.62 2.74 2.86 2.99 3.12 3.39 3.67 3.96 4.26 4.58 4.90 5.24 5.59 5.95

HIDRÁULICA APLICADA .620 .653 .687 0.722 0.757 0.793 0.830 0.868 0.906 0.945 0.985 1.03 1.07 1.11 1.15 1.2 1.25 1.29 1.33 1.46 1.58 1.71 1.85 1.99 2.14 2.29 2.45 2.61 2.78 2.96 3.14 3.33 3.52 3.73 3.93 4.15 4.36 4.69 4.83 5.31 5.82 6.36 6.93 7.52 8.14 8.80 9.49 10.2

.718 .759 .801 0.842 0.887 0.932 0.981 1.03 1.08 1.13 1.18 1.23 1.29 1.34 1.4 1.46 1.52 1.58 1.64 1.80 1.97 2.14 2.33 2.52 2.73 2.94 3.16 3.39 3.03 3.88 4.14 4.41 4.69 4.98 5.28 5.59 5.91 6.24 6.58 7.30 8.06 8.86 9.72 10.6 11.6 12.6 13.6 14.7

.809 .858 .908 0.958 1.01 1.07 1.12 1.18 1.24 1.30 1.36 1.43 1.49 1.56 1.63 1.70 1.78 1.85 1.93 2.13 2.34 2.56 2.79 3.04 3.30 3.57 3.85 4.15 4.46 4.78 5.12 5.47 5.83 6.21 6.60 7.01 7.43 7.87 8.32 9.27 10.3 11.3 12.5 13.7 15.0 16.3 17.8 19.3

.894 .951 1.01 1.07 1.13 1.19 1.26 1.32 1.40 1.47 1.54 1.61 1.69 1.77 1.86 1.94 2.03 2.11 2.21 2.44 2.69 2.96 3.24 3.54 3.85 4.18 4.52 4.88 5.26 5.65 6.06 6.49 6.94 7.41 7.89 8.40 8.91 9.46 10.0 11.2 12.5 13.8 15.3 16.8 18.4 20.1 21.9 23.8

.976 1.04 1.10 1.17 1.24 1.31 1.39 1.46 1.54 1.63 1.71 1.79 1.88 1.98 2.07 2.16 2.27 2.37 2.47 2.75 3.04 3.34 3.68 4.03 4.39 4.76 5.18 5.60 6.04 6.50 6.99 7.50 8.02 8.57 9.13 9.75 10.4 11.0 11.7 13.1 14.6 16.2 17.9 19.8 21.7 23.8 25.9 28.2

1.05 1.13 1.20 1.27 1.35 1.43 1.51 1.6 1.69 1.78 1.87 1.97 2.07 2.17 2.28 2.38 2.50 2.61 2.73 3.04 3.37 3.72 4.09 4.49 4.90 5.34 5.80 6.29 6.81 7.33 7.89 8.47 9.08 9.72 10.4 11.1 12.4 12.5 13.3 15.0 16.7 18.6 20.6 22.7 25.0 27.4 29.9 32.6

1.13 1.21 1.29 1.37 1.45 1.55 1.64 1.73 1.83 1.93 2.03 2.14 2.25 2.36 2.48 2.6 2.73 2.85 2.99 2.33 2.70 4.09 4.50 4.95 5.42 5.90 6.43 6.98 7.55 8.14 8.79 9.42 10.1 10.9 11.6 12.4 13.2 14.0 14.9 16.8 18.7 20.9 23.1 25.6 28.2 31.0 33.8 36.9

1.43 1.53 1.64 1.75 1.87 1.98 2.11 2.24 2.37 2.51 2.65 2.80 2.95 3.11 3.27 3.43 3.61 3.79 3.97 4.45 4.96 5.52 6.11 6.73 7.39 8.10 8.83 9.62 10.4 11.3 12.2 13.2 14.2 15.2 16.3 17.4 18.7 19.9 21.1 23.9 26.8 30.0 33.4 37.0 40.8 44.8 49.1 53.7

50

INGENIERÍA CIVIL 3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.50 5.00

d/D 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29

A/D2 0.0013 0.0037 0.006 0.0105 0.0147 0.0192 0.0242 0.0294 0.035 0.0409 0.047 0.0534 0.06 0.0668 0.0788 0.0811 0.0885 0.0961 0.1039 0.1118 0.1199 0.1281 0.1365 0.1449 0.1535 0.1623 0.1711 0.18 0.189

2.53 2.72 2.90 3.09 3.28 3.46 3.92 4.39

6.33 7.12 7.97 8.86 9.81 10.8 13.6 16.7

HIDRÁULICA APLICADA 11.0 12.5 14.20 16.1 18.1 20.2 26.2 33.1

15.9 18.3 21.0 24.0 27.1 30.5 40.1 51.5

20.9 24.2 27.9 32.0 36.3 41.1 54.6 70.3

25.8 30.1 34.8 39.9 45.5 51.6 68.8 89.2

30.6 35.8 41.5 47.8 54.6 61.9 82.9 108

35.4 41.5 48.2 55.5 63.5 72.1 96.9 126

40.1 47.1 54.6 63.0 72.4 82.2 111 145

58.4 68.9 80.2 92.8 107 122 164 216

TABLA 21: FORMULA DE MANINNG EN CONDUCTOS CERRADOS d = profundidad de flujo Q = descarga en pies3/s D = diámetro del tubo n = coeficiente de rugosidad A = área del flujo S = pendiente R = radio hidráulico R/D Q n/(D 8/3S1/2) Q n/(d 8/3S1/2) d/D A/D2 R/D Q n/(D 8/3S1/2) Q n/(d 8/3S1/2) 0.0066 0.00007 15.04 0.51 0.4027 0.2531 0.239 1.442 0.0132 0.00031 10.57 0.52 0.4127 0.2562 0.247 1.416 0.0107 0.00074 6.56 0.53 0.4227 0.2692 0.255 1.388 0.0262 0.00138 7.38 0.54 0.4327 0.2621 0.263 1.362 0.0325 0.00222 6.55 0.55 0.4426 0.2649 0.271 1.336 0.0389 0.00328 5.95 0.56 0.4526 0.2676 0.279 1.311 0.0451 0.00455 5.47 0.57 0.4625 0.2703 0.287 1.286 0.0513 0.00604 5.76 0.58 0.4724 0.2728 0.295 1.262 0.0575 0.00604 4.76 0.59 0.4822 0.2753 0.303 1.238 0.0638 0.00775 4.49 0.6 0.492 0.2776 0.311 1.215 0.0695 0.00967 4.25 0.61 0.5018 0.2799 0.319 1.192 0.0755 0.01417 4.04 0.62 0.5115 0.2821 0.327 1.17 0.0813 0.01674 3.86 0.63 0.5212 0.2842 0.335 1.148 0.0871 0.01952 3.69 0.64 0.5308 0.2862 0.343 1.126 0.083 0.0995 3.54 0.65 0.5404 0.2882 0.35 1.105 0.0985 0.0257 3.41 0.66 0.5499 0.29 0.358 1.084 0.1042 0.0291 3.78 0.67 0.5594 0.2917 0.366 1.064 0.1097 0.0327 3.17 0.68 0.5687 0.2933 0.373 1.044 0.1152 0.0365 3.06 0.69 0.578 0.2948 0.38 1.024 0.1206 0.0406 2.96 0.7 0.5872 0.2962 0.388 1.001 0.1259 0.0448 2.87 0.71 0.5964 0.3975 0.395 1.985 0.1312 0.0492 2.79 0.72 0.6054 0.2987 0.402 0.965 0.1364 0.0537 2.71 0.73 0.6143 0.2998 0.409 0.947 0.1416 0.0585 2.63 0.74 0.6231 0.3008 0.416 0.92 0.1466 0.0634 2.56 0.75 0.6319 0.3017 0.422 0.91 0.1516 0.0686 2.49 0.76 0.6405 0.3024 0.429 0.891 0.156 0.0739 2.42 0.77 0.6489 0.3031 0.435 0.873 0.1614 0.0793 2.36 0.78 0.6573 0.3036 0.441 0.858 0.1662 0.0849 2.3 0.79 0.6655 0.3039 0.447 0.838

51

INGENIERÍA CIVIL 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50

0.1982 0.2074 0.2167 0.226 0.2355 0.245 0.2546 0.2642 0.2739 0.2838 0.2934 0.3032 0.313 0.3229 0.3328 0.3428 0.3527 0.3627 0.3727 0.3827 0.3927

0.1709 0.1756 0.1802 0.1847 0.1891 0.1935 0.1978 0.202 0.2062 0.2102 0.2142 0.2182 0.222 0.2258 0.2295 0.2331 0.2366 0.2401 0.2435 0.2468 0.25

0.0907 0.0966 0.1027 0.1089 0.1153 0.1218 0.1284 0.1351 0.142 0.149 0.1561 0.1633 0.1705 0.1779 0.1854 0.1929 0.201 0.208 0.216 0.224 0.232

HIDRÁULICA APLICADA 2.25 2.2 2.14 2.09 2.05 2 1.958 1.916 1.875 1.835 1.797 1.76 1.724 1.609 1.655 1.622 1.59 1.559 1.53 1.5 1.471

0.8 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1

0.6736 0.6815 0.6893 0.6969 0.7043 0.7115 0.7186 0.7254 0.732 0.7384 0.7446 0.7504 0.756 0.7612 0.7662 0.7707 0.7749 0.7785 0.7817 0.7841 0.7854

0.3042 0.3043 0.3043 0.3041 0.3038 0.3033 0.3026 0.3018 0.3007 0.2995 0.298 0.2963 0.2944 0.2921 0.2895 0.2865 0.2829 0.2787 0.2735 0.2666 0.25

0.453 0.458 0.463 0.468 0.473 0.477 0.481 0.485 0.488 0.491 0.494 0.496 0.497 0.498 0.498 0.498 0.496 0.491 0.489 0.483 0.463

0.821 0.804 0.787 0.77 0.753 0.736 0.72 0.703 0.687 0.67 0.654 0.637 0.621 0.604 0.588 0.571 0.553 0.535 0.517 0.496 0.463

SECCIONES HIDRAULICAS DE RUGOSIDAD COMPUESTA

Algunos canales presentan rugosidades distintas en los diferentes tramos del perímetro húmedo, en este caso aplicamos la fórmula de Manning con la hipótesis de que la velocidad será única en todos los elementos del área, es decir si:

52

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1

Se tiene: [ 1(

1 1)

(

)1

(

)1 ]

Dónde:

1 1

Valor de rugosidad único para todo el perímetro Perimetro en la sección del área 1 Rugosidad en la sección del área 1 Perimetro húmedo en la sección del área Rugosidad en la sección de área Perimetro húmedo total

Cuando la forma de la sección transversal del canal no permite por lógica suponer que la velocidad sea única en todos los elementos del área, la rugosidad se estima mediante la fórmula:

1 1( 1)

( )

( )

En los dos casos cuando se ha obtenido el valor de n, este se introduce en la fórmula de Manning para el cálculo en la sección total.

53

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EJERCICIO 1: Calcular el tirante critico en un canal rectangular, con una plantilla de fondo b= 3m, por donde fluye un caudal Q= 6 m3/s.

Yc

3m

SOLUCION Aplicando la ecuación de la SECCIÓN 5 del formulario:

Donde: 6

s

Reemplazando valores en la ecuación tenemos: Yc= 0.74 m.

54

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EJERCICIO 2 En un canal de sección trapezoidal con una plantilla b = 3 m y taludes con inclinación z= 1.5 circula un gasto Q = 9 m3/s. se pide calcular: a) El tirante critico b) La velocidad critica c) La energía especifica mínima d) El numero de Froude.

Yc Z=1.5

3m SOLUCIÓN: Aplicando las ecuaciones se tiene: a) Aplicando la ecuación de la SECCIÓN 2

(

Donde

)

(

b=3m

)

z =1.5

Como Yc es una incognita resolvemos la siguiente expresión: 9 98

((

) ) )

(

Resolviendo tenemos : Yc = 0.84 m b) Aplicando la Ecuación 1.8 de la SECCION 14 tenemos : √ ( Donde

√9 8

)

58 55

6 9

6 9

5 55

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c) Aplicando la ecuación 1.2 de la SECCION 13 se tiene:

8

5 (9 8)

6

6 d) El numero de Froude se calculara para determinar si realmente el tirante es crítico. Se usa la ecuación 1.3 de la SECCION 13 √ ( 5

)

√9 8 ( 6 9)

56

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EJERCICIO 3 Se tiene un canal trapecial revestido en tierra en regulares condiciones de conservación. El ancho en la base es de 4 m. El talud de 45°. La longitud de canal entre los puntos A y B es de 1 000 m. La cota del punto A es 836,5 m y la cota del punto B es 835,8 (ambas cotas están medidas en la superficie libre). El gasto es de 8 m3/s. Calcular el tirante normal. Solución. Q = 8 m3/s b=4m z=1 n = 0,02 (Tabla 6.2) S = (836.5-835.8)/1000 =0.0007 Z=1

b = 4m

De la Ecuación 1.1 de la SECCION 13 1

Empleando las ecuaciones: de la SECCION 1 √1

)

( Resolvemos

)

√

7

1

(

)

y = 1.26

Existe otro método de resolución: Empleando una grafica elaborada por Ven Te Chow Entramos a la tabla con los siguientes valores: 8 1

71

6

5

57

Yn

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0.15

58

INGENIERÍA CIVIL


De la grafica anterior se tiene : y/b = 0.31 aprox. Reemplazamos b = 4 y tenemos y = 1.24 m Como vemos no difiere mucho de la respuesta por el método analítico.

59

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EJERCICIO 4 Hallar el tirante crítico para un canal de 10 m3/s en un canal trapecial cuyo ancho en la base es de 0,50 m. El talud es 3. Si partimos de la expresión general

(SECCION 2) se tiene, luego

de reemplazar el gasto, que 98 Luego reemplazamos los valores de A y T correspondientes a un canal de sección trapecial. Ecuaciones de la SECCIÓN 1

(

)

(

)

Reemplazamos valores de z, b ( 5

)

(( 5

))

Resolvemos la expresión anterior obteniendo y= 1.098 = 1.1 m Ac = 4.18 m2 T = 7.1 m Empleando la Ecuación 1.8 y la Ecuación 1.4 √ ym = A/T = 4.18 / 7.1 =0.589 √9 8

589

s 98

9

60

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EJERCICIO 5 La sección obtenida topográficamente en el canal que se muestra en la figura se tiene: n1 = 0.035 y n2 = 0.050. Calcular el caudal que fluye por dicha sección si al pendiente es de 1 °/ 00.

0.6

A1

Z=0.75

A2

Z=1. 5

2.10

Z=1. 5

4.5

3.5

2.25

2.8

3.15

Según la figura: dividiendo la sección en 2 areas, determinamos sus propiedades geométricas: A1 = 2.235 m2 P1 = 4.25 R 1 = 0.53 m A2 = 12.225 m2 P2 = 9.29 R2 = 1.316 m AT = 14.46 m2 PT =13.54 R3 = 1.07 m Calculamos n promedio segun la ecuación [ 1(

1 1)

[

5(

( 5 )1

)1

(

9 9(

)1 ]

5 )1 ]

5 n =0.045 empleando la ecuación de Q: 6 5

1

5

61

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EJERCICIO 6 Un canal tiene un caudal de 10 m3/ s, una pendiente de 0.001 se se le quiere revestir de concreto con taludes 1:1, determinar el tirante y la plantilla para condición de máxima eficiencia hidráulica. Solución Datos: Q = 10 m/s Z=1 n = 0.014 Z=1 s= 0.001

b

Según Aplicando la tabla de Ven Te Chow. Talud Angulo Maxima eficiencia vertical 90 2.000 0.25 :1 75° 58´ 1.562 0.5 :1 63° 26´ 1.236 0.75 :1 53° 08´ 1 1: 1 45° 00´ 0.828 1.25 :1 38° 40´ 0.702 1.5: 1 33° 41´ 0.605 2:1 26° 34´ 0.472 3:1 18° 26´ 0.325

Mínima infiltración 4.000 3.123 2.472 2.000 1.657 1.403 1.211 0.944 0.649

Promedio 3.000 2.342 1.854 1.500 1.243 1.053 0.908 0.708 0.487

Elegimos el valor para un talud de 1:1 el cual es b/y =0.828  y/b = 1.208 luego empleamos una tabla de Ven Te Chow. Donde para el valor de y/b se tiene: y/b 1.20 1.25

Z=1 2.79 3.04

Interpolando tenemos: 8

1

9

Reemplazando el valor de S= 0.001 Tenemos: 62

Yn

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8

9

1

b = 1.373 luego el valor de y será: 1.373/ y = 0.828 y =1.66. Tambien existe el método analítico: Reemplazando en la ecuación de la SECCIÓN 3 tenemos: (√ (√

)

)

8 8(

)

Luego con el valor de b = 0.828 y tenemos que reemplazando en la ecuación1.1 de la sección 13 ( (

)

1

))

√

Reemplazando valores tenemos: ( 8 8 8 8

) √

1

)

Calculamos el valor de y y = 1.66 m y el valor de b seria b= 0.828 *1.66= 1.37m comovemos los valores no difieren mucho del método de Ven Te Chow.

63

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I.


GENERALIDADES: En un proyecto de irrigación y/o mejoramiento de riego; la planificación del trazo y diseño de canales de conducción, distribución y obras conexas se hará tomando en cuenta los trabajos y consideraciones previas. Los canales de riego dentro de una planificación tienen diferentes formas (rectangular, trapezoidal, etc.) y funciones, así tenemos: 1. Canal de Primer Orden: Llamado también canal Principal: Madre o de derivación y es trazado con pendiente mínima. Ejemplo: Canal Taymi del Proyecto Tinajones, Canal Madre del Proyecto Chavimochic, canal de Derivación del Proyecto Chira-Piura.

CANAL TAYMI – PROYECTO TINAJONES

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; Ejemplo: Canales Mochumí, Túcume que salen del Canal Taymi

64

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CANAL TÚCUME

3. Canal de Tercer Orden: Llamados también Sub-laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia los propietarios individuales a través de las tomas de granja, el área de riego que sirve de un sub-lateral se conoce como UNIDAD DE ROTACION.

Esquema de una red de distribución típico en un riego por superficie

De lo anterior se deduce que varias unidades de rotación, constituyen 65

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una unidad de riego y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, sistema que adopta el nombre o nomenclatura del Canal Madre o de primer orden. CONSIDERACION PRELIMINARES Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales, es necesario recopilar la siguiente información básica:  Se efectuará un análisis de los antecedentes o historia del proyecto, tales como las ideas, soluciones y sugerencias o alternativas; así también los reconocimientos o estudios preliminares o anteriores, si existieran hasta llegar a la etapa actual.  Se consideran elementos; topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos, ambientales, agrológicos, entre otros.  Fotografías aéreas, imágenes satelitales, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc.  Planos topográficos y catastrales.  Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales. Es necesario que se conozcan algunos detalles, como: a) b) c) d) e) f)

Volumen de agua que se ha de conducir Probable longitud del canal Datos climatológicos de la zona (de probable ruta) Naturaleza fisiográfica de la zona (de probable ruta) Limitaciones económicas para la construcción del canal Planos de referencia o fotografías aéreas (pueblos, caseríos, cultivos, vías de comunicación). g) Probables formas de captación de la fuente h) Tipo de canal (conducción o de distribución) i) Otros (estudios geológicos, suelos, vegetación, hidrología, salinidad y estudios que puedan conjugarse en el proyecto; como caminos, nuevos asentamientos, etc.) Las fuentes de información disponibles en el país la constituyen por lo general: 66

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a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k)


El Archivo Técnico de las Unidades Agrarias Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA) Servicio Nacional de Hidrología y Meteorología e Hidrología (SENAMHI) Oficina Nacional de Planificación Instituto Geográfico Militar (IGM) Proyecto Nacional Manejo de Cuencas Hidrográficas (PRONAMACH) Laboratorio Nacional de Hidráulica Universidades Ministerio de Energía y Minas Direcciones Generales del Ministerio de Agricultura Proyectos Hidráulicos Especiales (Olmos-Tinajones, Chira-Piura, Jequetepeque - Zaña, etc.)

 Cuando existe la información básica disponible, se procede a realizar en gabinete un TRAZO PRELIMINAR, el cual mediante su replanteo en el campo, donde se hacen los ajustes que se consideren necesarios, se obtiene finalmente el TRAZO DEFINITIVO.  En caso de no existir información básica, se procede a levantar la topografía del canal realizando trabajos de campo y gabinete, (los trabajos topográficos para el diseño de canales son similares a los necesarios para el diseño de un camino o una vía férrea), teniendo las siguientes fases: A. TRABAJOS DE CAMPO: RECONOCIMIENTO DEL TERRENO:  Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo.  En esta fase se trata de localizar la posible o posibles posiciones de la ruta que ha de seguir el canal, determinándose el punto inicial y final del canal, debiendo anotarse las siguientes características del terreno:      

Tramos en ladera y en suelo llano Rocosidad, pedregosidad o naturaleza del suelo Fisiografía dominante (pendiente gobernadora) Variaciones fuertes de pendientes Elección de rutas imaginarias (Túnel, acueducto, caída, etc.) Rumbos, elevaciones y distancias que puedan servir para seleccionar la probable ruta. 67

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 Estacado de algunos puntos auxiliares para el siguiente procedimiento (trazo preliminar)  Luego de este reconocimiento se podrá contar con algunas decisiones, tales como si se ha de trabajar a pendiente fija o a pendiente fija y a pendiente variable; longitud de tramos en laderas o en suelo llano. Si hubiera que tomarse canales secundarios del que se está trazando; deben fijarse los probables puntos de derivación.  En un trabajo de reconocimiento se emplea: Eclímetro, brújula, altímetro, wincha, jalones, etc. B. TRAZO PRELIMINAR (Curvas de Nivel):  En esta fase con una brigada topográfica, se procede a clavar en el terreno las estacas de la poligonal preliminar o de apoyo, fijando un punto de partida (entrega o de captación), con la pendiente elegida avanzando cada 20 m y estacando cada 100 m.  Debe monumentarse el BM principal y los BN (Bancos de Nivel) c/Km.  Esta operación ha de efectuarse con NIVEL DE INGENIERO o con un eclímetro.  Posteriormente se NIVELARÁ la poligonal referido al BM principal.  Se hará el levantamiento de la poligonal abierta con Teodolito orientado al NM y medir los lados de la poligonal y por el método de deflexiones obtener la poligonal estacada, al mismo tiempo en cada estaca pueden tomarse datos para obtener una sección transversal.  Taquimetría o relleno topográfico sobre la faja de la poligonal abierta, se efectúa con Teodolito, Estación Total, etc.

ESQUEMAS REFERENCIALES PARA EL TRABAJO DE CAMPO

68

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TRAZO PRELIMINAR: a) Poligonal de apoyo

h h

VISTA EN PLANTA

Buscar desnivel “h” correspondiente a la pendiente en 20 m mediante dos posibles formas:  Con mira fija en jalón o mira (Eclímetro marca la inclinación)  Con marca desplazada en jalón o mira (Eclímetro graduado en 0) VISTA EN PLANTA 2

A Estaca

20 m

20 m

Ficha

20 m

3 Ficha

1 Ficha

En 1 habrá desnivel con respecto a A

En 2 habrá desnivel con respecto a 1

En 3 habrá desnivel con respecto a 2

NIVELACION DE ESTACAS 69

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D S

B.M. A

B C

. BN1

. BN2

Nivelar estacas A, B, C,… BN1, BN2,… (Nivelación cerrada) a 1 000 m.

Cabeza de estaca situada a la cota de la rasante

b) Poligonal Abierta:  Medir distancias ̅̅̅̅, ̅̅̅̅ , ̅̅̅̅  Medir Ángulos por deflexión

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C. DESARROLLO DE TRABAJO DE GABINETE: a) ESCALAS DE REPRESENTACION:  De acuerdo a Especificaciones Técnicas del Proyecto  De acuerdo a la representatividad del terreno Ejemplos: 1/500 – 1/1000 – 1/2000 b) PLANO A CURVAS DE NIVEL Las curvas de nivel deben guardar una equidistancia de 50 cm (a veces 1m); c) TRAZO PRELIMINAR Ejemplo: Pendiente 1% significa que para 20m horizontales se consideran 20cm verticales.

COTAS DE PUNTOS a) 95.80 b) 95.60 b) 95.40 d) 95.20 71

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d) SEÑALIZACIÓN DE OBRAS HIDRÁULICAS

TUNEL e) POLIGONAL ABIERTA Se establecerá uniendo los puntos que marquen el recorrido cada 100m. osea uniendo os punto de entrega 0+000 y 0+100, luego 0+100 y 0+200, así sucesivamente.

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D. TRAZO DEFINITIVO:  Esta fase que se realiza en el gabinete con los datos obtenidos, sirve para efectuar la localizacion definitiva del canal, con algunas modificaciones por motivos locales.  El trazo definitivo se puede hacer por cualquiera de los metodos que se estudian en topografia, siendo el mas usado EL DE DEFLEXIONES, estas pueden ser derechas o izquierdas con un valor siempre menor a 180º.  El trazo definitivo (Poligonal de PI) no debe alejarse del trazo preliminar, se buscara siempre la mayor longitud de los tramos rectos (tangentes) disminuyendo el Nº de P.I., los angulos deben ser los mas obtusos posibles, con el proposito de evitar el desarrollo excesivo del canal, y posteriormente mucho corte o relleno.  En zonas de laderas debe tenerse mucho cuidado; tendiendo solamente a tener cortes.  Sobre este trazo se calculan los datos necesarios para el replanteo; es decir se determinan las longitudes y direcciones de las lineas rectas (tangentes) asi tambien los elementos de las curvas circulares que sustituiran a los puntos angulos de las lineas rectas (B,C,D,E) O PIS. a) CURVAS HORIZONTALES EN EL TRAZO DE CANALES Clases:  Circular simple.  Circular compuestas de 2 arcos o mas: Radios distintos, centros distintos.  Circular inversas: Un mismo radio, radios distintos. Ocasionalmente podria considerarse una curva vetical en el caso de diseño de obras hidraulicas.

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Circular simple:

Circular inversa:

MISMO RADIO

RADIOS DISTINTOS

Circular compuesta:

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b) ELEMENTOS DE UNA CURVA Una curva sirve para cambiar la dirección de un tramo recto a otro que tiene un punto de intersección.

A : Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m. C : Cuerda larga, es la que subtiende la curva desde PC hasta PT. Β : Angulo de deflexión, formado en el PI. E : Externa, es la distancia de PI a la curva media de la bisectriz. F : Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga. G : Grado, es el Angulo central. LC : Longitud de curva que une PC con PT. PC : Principio de una curva. PI : Punto de inflexión. PT : Punto de tangente. PSC : Punto sobre curva. PST : Punto sobre tangente. R : Radio de la curva. ST : Sub tangente, distancia del PC al PI.

c) CALCULO DE UNA CURVA (FORMULAS): INCÓGNITA

DATOS

FÓRMULA

R Radio

ST – Ɵ C –Ɵ

R=ST Cotg Ɵ/2 R=C/2 Sen Ɵ/2

C Cuerda

R–Ɵ ST – Ɵ F–Ɵ

L.c Longitud de curva

R–Ɵ

E Externa

ST – Ɵ R–F

C=2 R Sen Ɵ/2 C= 2 ST Cos Ɵ/2 C= 2 F Cotg Ɵ/4 8 E= ST Tg Ɵ/2 E= (R)(F)/(R-F)

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F Flecha

E–Ɵ R–Ɵ R–E

F= E Cos Ɵ/2 F= R-(R Cos Ɵ/2 – Ɵ) F= (R)(E)/(R+E)

ST Subtangente

R–Ɵ

ST= R Tg Ɵ/2

Ɵ Angulo de Deflexión

C–Ɵ

Considerar las limitaciones técnicas en el cálculo de los elementos de la curva; principalmente el RADIO MINIMO. d) TRAZO DE CURVAS CALCULADAS:  Determinando PC y PT se levantan las perpendiculares y en la intersección de ambas se encuentra el centro de curva, luego con radio entre el centro de curvatura y el PC se traza la curva.  El trazo definitivo consiste en la unión de los tramos rectos y curvos demarcando necesariamente PC, PI, PT, R y Ɵ (Ver esquema).

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e) REPLANTEO DE CURVAS POR REFLEXIONES PARCIALES G Lc

: es el ángulo central que subtiende una cuerda de 20 m. : 20 Ɵ/G CUADRO: RADIOS MINIMOS RECOMENDADOS POR BLAIR PARA CURVAS EN CANALES

Descarga de agua del canal (m3 /s)

Radios mínimos recomendables (m)

20 15 10 5 1 05

100 80 60 20 10 5

Ejemplo: PI = 3 + 224.32 ST = - 42.00 --------------------PC = 3 + 182.32 LC= + 82.67 --------------------PT= 3 + 264.99

f) PERFIL LONGITUDINAL:  Se construyen 2 ejes perpendiculares: el horizontal designado a distancias longitudinales y el vertical a distancias verticales o Alturas. Se debe elegir una escala horizontal y una vertical. Recomendación: H/V: 1/10, 1/20, es decir: Esc. Horiz. 1: 1000, ó 1: 2000 Esc. Vertc. 1: 100, ó 1: 200

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 Siguiendo el trazo definitivo se deben conseguir 2 datos (cada 20 o 50 m). distancia recorrida y su respectiva cota.

g) RASANTES:  Consiste en unir el punto inicial del perfil trazado con el punto final en valor de COTAS, considerando las pendientes empleadas en diferentes tramos o si fue una pendiente uniforme.  Para el trazo de rasante de fondo (plantilla) considerar las cotas de plantillas y luego trazar de la manera anterior.

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h) SECCIONES TRANSVERSALES.  El proyectar con acierto la sección transversal de un canal es una situación delicada, a la cual el ingeniero debe dedicar la máxima atención.  Las secciones transversales consisten en dibujar sobre un eje vertical las alturas y sobre otro horizontal la ubicación de la esas alturas, (por medio de distancias). en donde se tendrá como punto de intersección de los ejes, la ubicación de un material en el terreno especifico en el plano.

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Se recomienda usar escalas iguales H = V para facilidad de cálculo de los Metrados de Movimiento de Tierras (1 : 200, 1 : 100).

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ESQUEMA: PLANO FINAL :

PLANO DE PLANTA (Localización del eje del canal) PERFIL LONGITUDINAL

SECCIONES TRANSVERSALES

DESARROLLO LONGITUDINAL DE CANAL

LEYENDA PLANTILLA DE CALCULOS

SECCION DEL CANAL

MEMBRETE

CURVA DE DIAGRAMA DE MASAS (Movimiento de Tierras)

DATOS PARA COSTO DE MOVIMIENTO DE TIERRAS

OBRAS HIDRAULICAS BOCATOMA

CAIDA

TUNEL

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ORGANIGRAMA: TRAZO Y DISEÑO DE CANALES INFORMACIONES TECNICAS

RECONOCIMIENTO

TRAZO PRELIMINAR

POLIGONAL DE APOYO

- Nivelación de estacas - Levantamiento de poligonal de apoyo - Secciones Transversales - Taquimetría P.A. TRAZO PRELIMINAR

POLIGONAL DE APOYO

- Señalización de obras Complementarias - Poligonal de Intersecciones.

TRAZO DEFINITIVO

- Cálculo y trazo de curvas. - Construcción de Perfiles: Longitudinales, transversales

- Diseño y Calculo de la sección del canal. - Diseño y Cálculos de obras complementarias

- Cálculo y volumen Movimiento de Tierras. - Diagrama de Masa

de - Movimiento de Tierras. - Desarrollo del Canal - Secciones del canal.

- Planilla de cálculos - Plano Final del Proyecto. - . Memoria Descriptiva - Datos Complementarios Proyecto.

del

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1.


GENERALIDADES

Los túneles, son estructuras de pase subterráneas abiertas artificialmente, a través de una montaña o por debajo de corrientes de agua, con el objeto de conducir, con fines diversos, masas de agua o vehículos. 1.1. USO: a) Transvasar las aguas de una cuenca a otra, atravesando el macizo montañoso. b) Para evitar un desarrollo excesivo de canal abierto, con un apreciable economía. c) Cuando la pendiente transversal demasiada elevada y el material de mala calidad no permitan asegurar la estabilidad del canal abierto.

1.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS:  VENTAJAS -

Ahorro en gastos de expropiación, estructuras de pase de canales, etc. - Disminución de pérdidas de carga, más pendiente, menor volumen de excavación. - Menos costos de mantenimiento que un canal abierto.  DESVENTAJAS - El túnel es más caro, en general, de apertura que un canal a ciclo abierto.

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1.3. FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO: a) Túneles a gravedad (como canal):  La alineación está dada por la gradiente.  Nivel de agua debe ser casi constante a la entrada: derivación directa (bocatomas).  Se calcula, con fórmulas (Manning, continuidad, régimen critico), Nomogramas y tablas, o aplicando un software, que implica los resultados. b) Túneles a presión (Tubería Forzada):  La alineación puede ser cualquiera con tal de estar por debajo de la línea piezométrica.  La captación se hace desde un reservorio.  Al final del túnel se pone una Chimenea de equilibrio.  Para su cálculo es aplican las mismas leyes al flujo de agua en tuberías forzadas. 1.4. CONSTRUCCIONES TÉCNICAS: a) El trazo de un túnel debe seguir la distancia más corta, que une las estructuras de captación con las de entrada; sin embargo ésta puede variar de acuerdo a factores:  Topografía  Geología  Economía b) Evitar en lo posible las zonas de roca meteorizada, descompuesta o agrietada. c) Tiempo de construcción. d) Costos del transporte de materiales excavados.

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FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE TÚNELES TÚNEL TRASANDINO PROYECTO OLMOS

TÚNEL LLAUCANO (II ETAPA PROYECTO TINAJONES)

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1.5. SECCIÓN HIDRÁULICA a) la sección del túnel debe permitir la circulación del caudal máximo. b) Resistir presiones. c) FORMAS: La sección de su forma y tipo de revestimiento, está ligado íntimamente con:  Geología.  Mecánica de suelos y rocas.  Procedimiento constructivo.

SECCIONES DE PIQUES Y TÚNELES

1.6. DIMENSIONES MINIMAS: Además de satisfacer condiciones hidráulicas y estructurales, los túneles deben tener dimensiones mínimas que permitan colocar la instalaciones (tubo de ventilación, tuberías de agua, etc.), libre tránsito de obreros y maquinaria durante la construcción. Se recomienda las siguientes medidas mínimas:  1.80 m x 1.80 m (Equipos de perforación pequeños)  2.44 m x 2.44 m (Máquinas Excavadoras)

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1.7. VELOCIDADES Y RUGOSIDADES:  VELOCIDADES 

Túneles a flujo libre: Caudales constantes: velocidad: Caudal variable: velocidad: 5



5 5

5

Túneles a presión : Velocidad:

5

5

 RUGOSIDADES El coeficiente de rugosidad 2.

7

CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS E HIDRÁULICAS DE TÚNELES EN EL PERÚ. 2.1. TÚNEL COLCA - HUAMBO (PROYECTO MAJES)

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2.2. Túnel INTERCUENCAS (PROYECTO CHAVIMOCHIC)

2.3. TÚNEL TRASANDINO (PROYECTO OLMOS)

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2.4. TÚNEL LLAUCANO (PROYECTO TINAJONES II)

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3.


TUNELES IMPORTANTES EN EL MUNDO 3.1. TUNEL BELLEDONE (ARC – ISERE, FRANCIA) Longitud = 18.20 km Cobertura máxima = 2.0 km Diámetro = 5.80 m Temperatura = 35°C Ejecución = Años 1974 – 1978

FRENTE DE TRABAJO

LONGITUD km

METODO DE PERFORACION

AVANCE PROMEDIO MENSUAL (m/Mes)

Lado A

8.20

convencional

148

Lado B

10.00

Con TBM

204

3.2. EUROTÚNEL: a. Túnel que une las ciudades de Francia y Gran Bretaña, bajo la mancha. b. Situado a 240 m bajo el nivel del mar en su punto más profundo y a 100 m por debajo del lecho del estrecho de Tsugaru que separa las dos islas. c. Túnel Ferroviario doble, de 50 Km de longitud por cada túnel gemelo. d. Diámetro : 7.60 m e. Trabajaron: 10 000 hombres por frente. f. Avance de perforación: 700 m/ Mes. g. Costo: 15 Billones de Dólares h. Costo de TBM usados: $ 10 – 14 mió (USD)

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3.3. TÚNEL SIMPLON a. Es el túnel más largo que hay en Europa, para tráfico ferroviario entre Italia y suiza. b. Longitud: 20 km. 3.4. TÚNEL SEIKAN a. Es el túnel más largo del mundo que enlazará por tren y bajo el agua dos de las cuatro islas importantes del Japón: Hokaido, y Honshu, donde se asiéntala capital de Tokio. b. Longitud: 54 km. c. Tramo bajo agua: 36.5 km (mayor que el del Eurotúnel, que es de 23.3 Km). d. Periodo de construcción: 42 años. e. Es una obra gigantesca, considerado el proyecto más importante del siglo pasado. 4.

EXCAVACIONES: 4.1. GENERALIDADES: a) La construcción de túneles requiere de conocimiento y experiencias adicionales a las excavaciones en superficie. b) El empleo de equipos y maquinarias es muy variable y depende de la geología y geotecnia del terreno, longitud y sección del túnel.

Túnel corto, una sola pendiente

Contrapendiente en la entrada

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Ventana y pozo, para la construcción de túneles con cuatro frentes de ataque.

c) En túneles cortos (1 – 1.5 km), resulta económico usar una sola pendiente. d) En túneles largos, mayor de 12 km, se ejecuta por dos frentes y en contrapendiente. 4.2. MÉTODOS DE EXCAVACIÓN DE TÚNELES La excavación de túneles se puede hacer por varios métodos:  Perforación y voladura ( Método Tradicional) Es el sistema más usual y de mayor flexibilidad. Se puede variar a voluntad secciones y perfiles. Utiliza explosivos, dando una sección excavada no muy uniforme, presentándose sub y sobre excavaciones. Con equipo manual, los rendimientos van de 4 a 8 metros de avance de túnel por día. Con equipos mecanizados (jumbos mecánicos o hidráulicos) de 10 a 18 metros de avance de túnel por día. 92

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 Excavación a sección completa con TBM (Tunnel Boring Machine) (método moderno) Conocidos como “topos”, es el sistema más rápido cuando la roca es competente (que requiere de poco sostenimiento). Consta de un disco frontal con cortadoras de acero y cangilones en la circunferencia que toman los detritos del suelo y los arroja en una faja transportadora ubicada en la parte superior del equipo, la cual los descarga en vagones. Los rendimientos van de 35 a 60 metros de avance de túnel por día. Es un método muy seguro, pues no se utiliza explosivos, no hay prácticamente sobre excavación, lo que es una gran ventaja sobre todo si el túnel va a ser revestido. Requiere de equipo de muy alta inversión (USD 1 millón por metro de diámetro de túnel, necesita de personal especializado). En el Perú se empleó en la excavación del túnel de la C.H. Carhuaquero.

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 Excavación en portales: Con el método tradicional, se realiza con equipos de trabajo de superficie: tractores, cargadores frontales y volquetes. En los casos de encontrarse roca, las excavaciones se hacen normalmente con martillos, perforadoras manuales, track drills y/o Jumbos.  EXCAVACION SUBTERRANEA: a. REPLANTEOS Y LÍNEAS DE EXCAVACIÓN Se recurre a bases establecidas en la triangulación para el proyecto, empleando equipos topográficos o con rayos laser del alineamiento.

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b. TIPOS DE ROCA A EXCAVAR Con el objeto de clasificar a los diversos tipos de roca, a fin de predeterminar el comportamiento que tendrían cuando se efectúe la excavación por un túnel, se han desarrollado diversas teorías, siendo una de ellas la ROCK QUALITY DESIGNATION (RQD), este “índice de calidad de la roca” propuesto por Deere relaciona el valor numérico de RQD y la calidad de la roca. Denominación americana: Tipo I o Roca Dura. (RQD = 75 – 100 %) No tiene fracturamientos. No requiere de refuerzos y soportes en la fase de la excavación. Tipo II o Roca Fracturada. (RQD = 50 – 75 %) Requiere de pernos de anclaje, malla metálica galvanizada y Shotcrette. Tipo III o Roca Triturada. (RQD = 25 – 50 %) Requiere de cerchas metálicas livianas. (Perfiles tipo “H” o “I”). Tipo IV o Roca Descompuesta. (RQD < 25 %) Requiere de cerchas pesadas (perfiles metálicos tipo “H” o “I”). Denominación Europea (Rusa): Tipo I o Roca Descompuesta. Tipo II o Roca Triturada. Tipo III o Roca Fracturada. Tipo IV o Roca Dura. 4.3. PERFORACIÓN Y VOLADURAS a. PERFORACIONES  Se recurre a la mano de obra que utiliza los equipos manuales, equipos neumáticos o hidráulicos.  El diámetro de las perforaciones se selecciona teniendo en cuenta la fragmentación que requiere de la roca a fin de facilitar su carguío y eliminación. 95

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NOMENCLATURA DE TALADROS EN UN TÚNEL  Arranque: taladros centrales. Su función es ampliar la cara libre para facilitar la salida de los taladros circundantes, dejando sin cargas los taladros de alivio.  Ayudas: taladros que circundan a los de arranque.  Cuadradores: ubicados en los hastiales del túnel.  Alzas o techos: ubicados en la zona de bóveda del túnel.  Arrastres o pisos: ubicados en la zona del piso y son los últimos en salir disparados.

b. DISEÑO DE VOLADURA Se denomina el número de taladros a preparar, su distribución y la carga específica (cantidad de dinamita) por cada taladro. ACCESORIOS DE VOLADURA :  Mecha de seguridad o guía lenta.  Fulminante común  Cordón detonante Pentacord.  Fulminante Fanel. 96

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CICLO DE LA EXCAVACIÓN El ciclo de excavación lo componen las siguientes actividades: a) Marcación del frente Es la primera etapa del ciclo de la excavación, está a cargo de la cuadrilla de topografía y consiste en marcar la sección del frente, manteniendo el alineamiento del eje, y controlando la pendiente del túnel dejándolo listo para la perforación. b) Perforación Es la primera en la cual se produce a ejecutar la perforación de los taladros dentro de los cuales se alojarán los explosivos. Se utilizan las máquinas perforadoras o Jumbos de dos o tres brazos hidráulicos, en cuyos terminales se colocan los barrenos para la perforación. El diámetro y longitud de los barrenos dependerá del tipo de roca y el área de la sección del túnel a excavar. Barrenos: Áreas de Excavación (m2)

Diámetros de agujeros (mm)

<10

27 - 40

10 - 30

35 - 45

> 30

38 - 51

c) Carga y Disparo Luego de perforados todos los taladros se produce al cargado de los mismos, si existen filmaciones de agua del cargo deben de sopletearse los taladros con aire. Para facilitar la colocación de los cartuchos dentro de los taladros se utilizan varillas de madera llamadas “atacadores” las cuales sirven para confinar la 97

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carga explosiva. El primer paso que se realiza para iniciar la denotación de los taladro es prender la mecha de seguridad la cual transmite la chispa al fulminante común. La denotación del fulminante común inicia al Pentacord en el cual se han conectado los faneles. Producida la denotación de los faneles se activa y comunica al cartucho de dinámica en el cual se ha insertado en Fanel y que va a permitir iniciar a los demás cartuchos dentro del taladro. d) Ventilación Una vez que se ha producido el disparo se debe esperar un tiempo prudencial mínimo de 15 minutos para que el frente se ventile permitiendo que los gases de explosión salgan hacia la boca del túnel. Para lograr una buena ventilación es necesario instalar a cada 500 m de excavación ventiladores que impulsen aire no viciado a través de conductos llamados mangas de ventilación que se van colocando conforme se avanza con la excavación. e) Desate Se produce al desquinche de las rocas sueltas, del techo de la excavación. f) Limpieza Consiste en limpiar los escombros dejados por el disparo, el personal ingresa al frente luego de esperar el tiempo de ventilación, con los equipos adecuados que son: la pala neumática y los carros mineros jalados por los cuales se desplazan en un sistema de rieles que deben irse colocando a lo largo de la excavación. Otro equipo empleado para estos fines puede ser una cargadora Hagglund y un carro transportador.

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4.4. SOSTENIMIENTOS Concluido el ciclo de excavación, se hace una evaluación conjunta contratista, (residente de obra), la supervisión y la propietaria si lo cree conveniente, de las condiciones de estabilidad de las rocas cerca al perímetro si lo cree conveniente, de las condiciones de estabilidad de las rocas cerca al perímetro de la excavación, a fin de darle el sostenimiento o soporte a las rocas, y permita seguir avanzando con la excavación una vez efectuado el mejoramiento de la estabilidad. Los sistemas de sostenimiento se pueden clasificar en dos grandes grupos: sostenimiento activo de roca y sostenimiento pasivo de roca. 4.4.1. SOSTENIMIENTO ACTIVO DE ROCA Viene a ser el refuerzo de la roca donde los elementos de sostenimiento son una parte integral de la nasa rocosa. Son dos los principales tipos usados en excavaciones subterráneas:  Pernos anclados y tensionados mecánicamente.  Barras de anclaje inyectadas con mortero o mediante anclajes de fricción.

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4.4.2. SOSTENIMIENTO PASIVO DE ROCA Donde los elementos de sostenimiento son externos a la roca y dependen del movimiento interno de la roca que está en contacto con el perímetro excavado. Se usa la malla metálica (trenzada o soldada), Shotcrete (concreto proyectado), actúa en gran medida de la misma manera que una malla que evita el desprendimiento de pequeñas piezas de roca desde la superficie de excavación, y arcos metálicos (cerchas o cimbras), son altamente efectivos para resistir las cargas pesadas, incluso después que se han producido fuertes deformaciones. Se colocan de 0.50 m a 1.0 m de distancia. Entre cimbras se colocan planchas metálicas acanaladas en la zona de los hastiales.

Mallas

Shotcrete (Concreto Proyectado

4.5. REVESTIMIENTOS a. El espesor del revestimiento con concreto está relacionado con el diámetro escavado. Se recomienda los siguientes espesores de revestimiento:    

Roca sana Roca fracturada Roca triturada Roca descompuesta

: : : :

e = 0.15 - 0.20m. e = 0.20 - 0.30m. e = 0.30 - 0.40m. e = 0.40 - 0.50m

b. Encofrado: Se usa encofrado metálicos de tipo telescópico y aditamentos especiales que permiten su desplazamiento y mayor número de usos. c. Habilitación y colocación de refuerzos: En rocas de mala calidad y zonas de falla se utilizan refuerzos horizontales y longitudinales dentro del 101

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revestimiento. Los procedimientos son los mismos de una obra de superficie. d. Preparación y vaceado de concreto:  La preparación de concreto, se puede hacer desde plantas concreteras exteriores, desde un tren concretero que se desplaza sobre carriles, alimentadas mediante tolvas móviles transportados sobre vagones dumpers.  El transporte del concreto puede efectuarse con trenes concreteros, para túneles cortos el transporte puede hacerse en camiones concreteros con dumpers, mediante bombas con estaciones intermedios o por cinta transportadora.  El vaciado de concreto puede hacerse a plena sección o seguir la secuencia de vaciar primero los sardineles, que sirven para colocar los rieles para el equipo de vaciado, luego la solera o piso y finalmente los pie derecho y la bóveda.  Los equipos de vaciado generalmente lo constituyen: Las bombas concreteras, mangueras shutes y vibradores. e. Perforaciones e inyecciones: una vez ejecutado el revestimiento del túnel resulta muchas veces necesario una ejecución de sondeos, perforaciones e inyecciones complementarias en el macizo rocoso detrás del revestimiento. 4.6. POSIBILIDAD ALTERNATIVA DE EJECUCIÓN TÚNEL TRANSANDINO PROYECTO OLMOS MEDIANTE EXCAVACIÓN MECANIZADA (TBM) a. Problemas inherentes a la excavación del túnel transandino. El túnel transandino constituye una obra de ingeniería muy audaz, por las características y dificultades que presenta:       

Gran longitud: 19.3 km. Enorme cobertura: 2000 m. Zona de rocas con características mecánicas deficientes, presencia de fallas. Amplitud de la convergencia, (zonas de mayores presiones). Caudales de filtraciones de inundaciones frecuentes. Presencia de gases tóxicos. Temperatura alta al interior del túnel hasta 55°c. 102

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b. Alternativa con excavación mecánica.  Tiene que garantizar diminución de tiempo y costos.  Confiabilidad con respecto al sistema tradicional, superando las dificultades. c. Maquinaria perforadora de túneles (TBM) Construida con material antideflagador, está diseñada para:  Atravesar sin problemas rocas fracturadas e inestables, pudiendo realizar sondeos de prospección en el frente cada 40 – 50 m de avance.  Resistir la presión de terrenos sin deformaciones apreciables, limitando los riesgos “entrampamiento” en zonas de fuerte convergencia.  Sondear previamente la presencia eventual de gases o agua bajo presión.  Proporcionar agua pura, diluyendo la presencia de gases tóxicos o explosivos, mediante la instalación de un sistema de ventilación.  Permite mantener la temperatura dentro de los límites aceptables, logrando 28°c en la línea de avance, mediante instalaciones (baterías de enfriamiento, grupo de refrigeración, torres de evaporación, etc.).  Evacuación de control de las aguas de los acuíferos, mediante instalaciones de bombeo, microestaciones y drenajes largos, siendo el caudal máximo por desaguar 900 l/s. d. Revestimiento del túnel  Es de segmentos prefabricados, que forman anillos con una longitud de 1.20m.  Los segmentos tienen pernos de unión, calculados para que resistan las tracciones del proyecto.  Guarniciones del hule, comprimiendo una con otra por la tensión de cierre de los pernos de unión, impidiendo cualquier filtración de aguas a través de las juntas.  El espesor de los segmentos es constante de 30cm.  El espacio anular entre revestimiento y excavación es rellenada inmediatamente con morteros. e. Tiempo de ejecución Se analiza el tiempo de excavación con topo mecánico, el cual sumada a los tiempos de fabricación, transporte, montaje, desmontaje y acabados, da el tiempo total de ejecución. 103

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   

Avance mensual Tiempo total de excavación Tiempo de fabricación y montaje del TBM Tiempo de desmontaje y ultimación 2 meses. TIEMPO TOTAL DE EJECUCIÓN


: : : :

273.00 m/Mes. 36 meses. 12 meses. inyecciones y drenajes

:

50 meses.

Comparando con el tiempo de ejecución por el método tradicional según proyecto.  Tiempo de ejecución con método tradicional : 84mts  Reducción del tiempo : 84-50 =34 meses (2.8años) SECCIONES TÍPICAS DEL TÚNEL TRASANDINO DEL PROYECTO OLMOS SECCIÓN TIPO I

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SECCIÓN TIPO II

SECCIÓN TIPO III

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SECCIÓN TIPO IV

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BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFIA. -

Trazo y Diseño de Canales, Ing. Arbulú Ramos José. Estructuras Hidráulicas, Ing. Arbulú Ramos José. Hidráulica de canales, Máximo Villón Béjar Diseño de canales: Arturo Rocha Felices Manual de Diseño de Canales http://canales.elregante.com/ http://www.arqhys.com/arquitectura/canales-diseno.html http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/3316/1/23article4.pdf

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TRAZO Y DIZEÑO DE CANALES

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