Tema 4. Canales
Tema 4. Canales
ÍNDICE 1.
Introducción ............................................................................................................................................ 5
2.
Clasificación ............................................................................................................................................. 7
3.
Definición de Canales ............................................................................................................................ 11
4.
5.
6.
7.
3.1.
Elementos de la sección de canal .................................................................................................. 11
3.2.
Parámetros Hidráulicos ................................................................................................................. 12
3.3.
Cuadro de parámetros referenciales en los canales ..................................................................... 13
3.4.
Secciones tipo ................................................................................................................................ 13
3.5.
Cálculo de la pérdida de carga de un canal ................................................................................... 14
3.6.
Dimensiones características .......................................................................................................... 17
3.7.
Sección económica ........................................................................................................................ 18
Revestimientos ...................................................................................................................................... 22 4.1.
Características de los revestimientos ............................................................................................ 22
4.2.
Tipos de revestimiento .................................................................................................................. 23
4.3.
Revestimiento de hormigón en masa............................................................................................ 23
4.4.
Canales de hormigón armado y prefabricados ............................................................................. 26
4.5.
Revestimientos plásticos ............................................................................................................... 28
4.6.
Revestimientos asfálticos .............................................................................................................. 30
4.7.
Revestimiento de tierras compactadas ......................................................................................... 32
4.8.
Otros revestimientos ..................................................................................................................... 33
Drenaje .................................................................................................................................................. 35 5.1.
Drenaje superficial ......................................................................................................................... 35
5.2.
Drenaje profundo .......................................................................................................................... 37
5.3.
Subpresiones y su efecto sobre los canales .................................................................................. 42
Juntas ..................................................................................................................................................... 46 6.1.
Clases de juntas ............................................................................................................................. 47
6.2.
Juntas de canales circulares .......................................................................................................... 53
6.3.
Esfuerzos en las juntas................................................................................................................... 54
6.4.
Modelos de juntas ......................................................................................................................... 56
6.5.
Materiales para juntas ................................................................................................................... 62
Elementos singulares de un canal ......................................................................................................... 63
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Tema 4. Canales
8.
9.
7.1.
Obra de Toma ................................................................................................................................ 64
7.2.
Acueductos .................................................................................................................................... 65
7.3.
Túneles .......................................................................................................................................... 67
7.4.
Sifones ........................................................................................................................................... 68
7.5.
Balsas ............................................................................................................................................. 71
7.6.
Picos de Pato, vertederos y aliviaderos ......................................................................................... 73
7.7.
Transiciones ................................................................................................................................... 77
7.8.
Obra de reintegro al cauce ............................................................................................................ 78
Elementos mecánicos. Compuertas ...................................................................................................... 80 8.1.
Compuertas ................................................................................................................................... 80
8.2.
Compuertas reguladoras de nivel y de caudal .............................................................................. 82
8.3.
Aliviaderos en sifón ....................................................................................................................... 86
8.4.
Medición de caudales .................................................................................................................... 87
Fases de ejecución de Canales .............................................................................................................. 89 9.1.
Excavación de la caja del canal ...................................................................................................... 89
9.2.
Refino de la excavación ................................................................................................................. 91
9.3.
Ejecución de drenes....................................................................................................................... 93
9.4.
Fase de revestimiento ................................................................................................................... 94
9.5.
Fases de acabado........................................................................................................................... 99
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Tema 4. Canales
1. Introducción Los canales constituyen una de las tipologías más importantes de las obras hidráulicas. Por extensión consideramos canales a aquellos cauces artificiales que nos permiten el transporte de grandes caudales en lámina libre, a semejanza de un río. Aunque existen muchas categorías dentro de este tipo de obras, en este tema vamos a estudiar especialmente los canales de gran envergadura, quedando definidas por reducción otras obras de similares características como las acequias de menor tamaño. En general el proyecto del canal comienza con el estudio de una captación de un río lago, embalse artificial o subsuelo, para seguir con una gran obra que abarca por lo general muchos kilómetros. Como tal obra lineal, comparten con las carreteras o ferrocarriles la forma de ejecutar una buena cantidad de unidades de obra, sin embargo tanto la excavación de la caja del canal como la ejecución del refino y el posterior revestimiento, son específicos de los canales. El trazado de los canales, debido a lo estricto de sus pendientes siempre ha encontrado especiales dificultades cuando la topografía del terreno obliga a salvar divisorias o cruzar depresiones del terreno. Para esto se utilizarán obras auxiliares específicas como sifones y acueductos. Otro aspecto a considerar es la necesidad de revestimiento de los canales modernos e incluso de la habilitación de un revestimiento a los canales antiguos. Las pérdidas por infiltración en los canales en tierra son del orden de 0,75 a 0,12 m3/m2/día, y pueden reducirse a valores del orden de 0,06 a 0,02 m3/m2/día si el canal está dotado de revestimiento y juntas tratadas. Este revestimiento permite diseñar con mayores velocidades y por tanto con menor sección. Un canal en tierras debe restringir la velocidad a valores entre 0,2 y 1,1 m3/s para evitar la erosión, mientras que un canal revestido puede llegar a valores de 1,5 m3/s e incluso 2,5 m3/s para caudales máximos.
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Tema 4. Canales
Por otro lado, los diseños clásicos de canales antiguos de regadío consideraban una circulación casi constante de agua y un riego por turnos durante las 24 horas del día. Actualmente los turnos de riego son menores lo que obliga a dimensionar con caudales para mayores caudales y con obras de regulación intercaladas, generalmente en forma de balsas de agua excedentaria. No debemos olvidar al diseñar la obra que dada la magnitud de este tipo de actuaciones obliga al estudio de la repercusión medioambiental de la misma, tanto durante la construcción como durante su explotación y mantenimiento.
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Tema 4. Canales
2. Clasificación Los canales pueden clasificarse atendiendo a su finalidad, a las características topográficas y geotécnicas del terreno que atraviesan o a su construcción. Atendiendo a su función los canales podemos distinguir entre: Canales para regadíos y/o abastecimientos; Canales de derivación para centrales hidroeléctricas y Transvases entre cuencas hidrográficas para compensación hídrica. Atendiendo a su sistema constructivo se pueden clasificar en: Canales revestidos y Canales estructurales. Los canales revestidos se ejecutan mediante la formación de secciones con excavaciones o terraplenes en los que el empuje del agua es totalmente soportado por el terreno y donde la impermeabilización se realiza mediante el revestimiento de la sección mojada. La sección suele ser trapecial o circular.
Vista de canal revestido de sección circular
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Tema 4. Canales
Vista de sección revestido de sección trapecial
Atendiendo al tipo de revestimiento, los más habituales serían los siguientes: -
Revestimiento de tierra compactada.
-
Revestimiento de hormigón en masa o armado.
-
Revestimiento asfáltico.
-
Revestimiento de limos impermeables.
-
Revestimiento de placas de hormigón.
-
Revestimientos flexibles (gravas, escolleras, colchas de mortero, prefabricados cosidos)
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Tema 4. Canales
En algunos casos, los cajeros laterales funcionan como elementos resistentes sobre todo para combatir la erosión. Estos cajeros resistentes se emplean principalmente cuando los taludes laterales son pronunciados. También en caso de fuertes pendientes longitudinales emplearemos una solera resistente a la erosión. En estos casos los materiales empleados serían los siguientes: -
Escollera colocada.
-
Mampostería enfoscada.
-
Mampostería hormigonada.
-
Hormigón en masa.
-
Hormigón armado.
Un canal también puede ser una estructura resistente en sí misma. Las tipologías son: -
Canales en estructura de hormigón armado, en U o en cajón
-
Canales cerrados o atirantados como acueductos
-
Secciones enterradas (zonas urbanas, puntos singulares, sifones).
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Tema 4. Canales
Acueductos y sifones
Canales en túnel o en falso túnel con relleno posterior.
Canales prefabricados
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3. Definición de Canales En este apartado vamos a definir los distintos elementos que conforman un canal para posteriormente indicar los parámetros más significativos para dimensionar un canal.
3.1. Elementos de la sección de canal En la sección tipo del canal definimos los siguientes elementos: Banqueta: Es la plataforma situada normalmente a ambos lados del canal y a cota de coronación del mismo. Si tiene anchura suficiente suele servir de camino de servicio. Solera: Constituye el fondo de la sección del canal. Taludes o cajeros: Denominación de las paredes laterales del canal. Caja: Es la obra de excavación o rellenos que conforman el canal por debajo del nivel de las banquetas.
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3.2. Parámetros Hidráulicos Caudales: Como sabemos es el volumen de agua que atraviesa la sección transversal del canal en la unidad de tiempo, pero podemos distinguir los siguientes: -
Caudal de proyecto, que es el máximo que discurrirá por el canal en condiciones normales de funcionamiento.
-
Caudal máximo admisible, es el valor que se toma para fijar el resguardo o diferencia de altura entre la lámina de agua a caudal nominal y el borde superior del canal.
-
Caudal mínimo, es caudal mínimo necesario para el correcto funcionamiento de las conducciones derivadas del canal y para que no exista sedimentación.
-
Velocidades: Consideraremos las siguientes:
-
Velocidad media como el cociente entre el caudal y la sección transversal ocupada por el líquido o sección mojada.
-
El máximo valor de la velocidad para la que se produce sedimentación en el canal se llama velocidad de sedimentación.
-
El mínimo valor de la velocidad para el que se producen erosiones por abrasión en el canal se llama velocidad de erosión.
Perímetro mojado: es la longitud del contacto de la sección transversal ocupada por el líquido y el revestimiento. Radio hidráulico: es el cociente entre área mojada y perímetro mojado. Profundidad hidráulica: es el cociente entre área mojada y el ancho superior de la sección del canal o tirante. Factor de la sección para flujo crítico: es el producto del área mojada por la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica. En flujo crítico el número de Fröude es de valor 1, de donde se deduce que este factor multiplicado por la raíz de “g”, nos indica el caudal transportado en régimen crítico. Calado: Es la profundidad del agua en el canal medida sobre la solera en canales trapeciales y desde la tangente horizontal en el punto más bajo en los canales circulares.
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3.3. Cuadro de parámetros referenciales en los canales En el cuadro adjunto pueden verse las fórmulas que relacionan los distintos parámetros referenciales.
3.4. Secciones tipo Por su posición respecto al terreno, podemos emplear las siguientes secciones convencionales: Secciones en el terreno. Es la sección habitual y por tanto de más longitud en los canales, sirviéndose de la alternancia de excavaciones y terraplenes sucesivos para darle soporte físico. Secciones elevadas sobre el terreno. En el cruce de vaguadas y accidentes del terreno a veces es necesario disponer formas estructurales porticadas adecuadas a las luces establecidas, adoptándose las secciones y las pendientes más convenientes. Secciones bajo terreno. Corresponde, en general, a la forma que adopta un canal cuando tiene que atravesar terrenos escarpados con mucha cota de excavación o divisorias de vaguadas. Las
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secciones deberán cumplir las condiciones hidráulicas necesarias y además deberán ser resistentes a empujes de terrenos naturales o aportados artificialmente.
3.5. Cálculo de la pérdida de carga de un canal La hidráulica de los canales es muy sencilla, con un funcionamiento general en régimen uniforme y permanente, salvo los cambios de sección, puntos de control o vertederos. En general la sección tipo del canal será dimensionada obedeciendo a una de las sencillas fórmulas siguientes.
3.5.1. Fórmula de Chezy Ya en 1769 Antonio Chézy estableció una fórmula en la que se relacionaba la velocidad del agua, con el radio hidráulico de la sección y la pendiente de la rasante de canal. El coeficiente K representa la resistencia del canal a la circulación del agua:
V K Rh i
3.5.2. Fórmula de Manning. Es la más aceptada universalmente y la que ha conseguido un uso generalizado: 1
2 1 V Rh 3 i 2 n
O en cualquiera de sus variantes, donde “n” representa un coeficiente de rozamiento entre el agua y diversos materiales perfectamente calibrado a lo largo de años de experimentación. Ven Te Chow indica el valor de estos parámetros para los materiales más empleados en el revestimiento de los canales. Para canales revestidos de hormigón se aplican coeficientes de rugosidad de Manning de n= 0,013 a 0,017, dependiendo de su estado. La fórmula de Manning es válida para las pendientes prácticas de todos los canales construidos.
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Tema 4. Canales
Type of Channel and Description
Minimum Normal
Maximum
a. Trowel finish
0.011
0.013
0.015
b. Float Finish
0.013
0.015
0.016
c. Finished, with gravel bottom
0.015
0.017
0.020
d. Unfinished
0.014
0.017
0.020
e. Gunite, good section
0.016
0.019
0.023
f.
Gunite, wavy section
0.018
0.022
0.025
g. On good excavated rock
0.017
0.020
h. On irregular excavated rock
0.022
0.027
a. Dressed stone in mortar
0.015
0.017
0.020
b. Random stone in mortar
0.017
0.020
0.024
c. Cement rubble masonry, plastered
0.016
0.020
0.024
d. Cement rubble masonry
0.020
0.025
0.030
e. Dry rubble on riprap
0.020
0.030
0.035
a. Formed concrete
0.017
0.020
0.025
b. Random stone in mortar
0.020
0.023
0.026
c. Dry rubble or riprap
0.023
0.033
0.036
a. Glazed
0.011
0.013
0.015
b. In cement mortar
0.012
0.015
0.018
a. Smooth steel surfaces
0.011
0.012
0.014
b. Corrugated metal
0.021
0.025
0.030
a. Smooth
0.013
0.013
b. Rough
0.016
0.016
7. Vegetal lining
0.030
B. Lined or Built-Up Channels 1. Concrete
2. Concrete bottom float finished with sides of:
3. Gravel bottom with sides of:
4. Brick
5. Metal
6. Asphalt
15
0.500
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En canales dragados o excavados los valores serían los siguientes: Type of Channel and Description
Minimum Normal
Maximum
a. Clean, recently completed
0.016
0.018
0.020
b. Clean, after weathering
0.018
0.022
0.025
c. Gravel, uniform section, clean
0.022
0.025
0.030
d. With short grass, few weeds
0.022
0.027
0.033
a. No vegetation
0.023
0.025
0.030
b. Grass, some weeds
0.025
0.030
0.033
c. Dense weeds or aquatic plants in deep channels
0.030
0.035
0.040
d. Earth bottom and rubble side
0.028
0.030
0.035
e. Stony bottom and weedy banks
0.025
0.035
0.040
f.
0.030
0.040
0.050
a. No vegetation
0.025
0.028
0.033
b. Light brush on banks
0.035
0.050
0.060
a. Smooth and uniform
0.025
0.035
0.040
b. Jagged and irregular
0.035
0.040
0.050
a. Clean bottom, brush on sides
0.040
0.050
0.080
b. Same as above, highest stage of flow
0.045
0.070
0.110
c. Dense weeds, high as flow depth
0.050
0.080
0.120
d. Dense brush, high stage
0.080
0.100
0.140
C. Excavated or Dredged Channels 1. Earth, straight and uniform
2. Earth, winding and sluggish
Cobble bottom and clean sides
3. Dragline-excavated or dredged
4. Rock cuts
5. Channels not maintained, weeds and brush
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Tema 4. Canales
3.6. Dimensiones características La dimensión principal que define la sección de un canal es el radio hidráulico, aunque en la práctica se emplean cuatro dimensiones relacionadas para definir el canal: Perímetro mojado, Área de la sección mojada, Anchura de la lámina de agua y Calado. Faltaría por definir el resguardo y los distintos espesores estructurales
Sección trapecial y Sección circular
En las figuras adjuntas figuran acotadas las principales dimensiones de las secciones trapeciales y circulares.
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Tema 4. Canales
3.7. Sección económica Hay muchos estudios sobre las secciones revestidas para establecer aquella que resulte más económica para la ejecución de la obra. Ha de tenerse en cuenta que se trata de una sección tipo que se va a colocar durante varios kilómetros y cualquier pequeña transformación interviene multiplicada por toda la longitud. Los estudios teóricos inciden en la necesidad de reducir la sección excavada y revestida, para un mismo caudal trasegado, sin embargo, no solamente depende de la reducción en la medición de las unidades de obra sino en la facilidad de ejecución de la misma o la posibilidad de disponer de medios adecuados para la ejecución de la obra. Desde el punto de vista puramente hidráulico, la sección óptima es la semicircunferencia y las mejores secciones trapeciales son aquellas que tienen la “superficie del agua igual a la suma de los cajeros mojados y un radio hidráulico igual a la mitad del tirante (calado)”, condición esta última que puede no ser conveniente en muchos casos. Para que sea válida la sustitución de una sección trapecial por otra circular no puede hacerse por la equivalencia en área transversal y radio hidráulico entre ambas. La comparación entre ellas deberá basarse en la igualdad de capacidades de ambos conductos para así averiguar, si las diferencias de geometría (dimensiones) resultante y su valoración económica, justifica el cambio. Evidentemente, sin entrar en condicionantes constructivos, la elección de una u otra sección, tratando únicamente el tema hidráulico-económico podemos decir que en el precio de un canal los parámetros más influyentes son: -
Volumen de excavación.
-
Volumen de hormigón en el revestimiento.
-
Anchura superior de la caja.
-
Resguardo
A título informativo, Torrent recoge una serie de cuadros comparativos de secciones. Entre ellos destacamos el siguiente que compara los parámetros anteriores entre secciones circulares y
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Tema 4. Canales
trapeciales con distintos taludes, considerando un resguardo del 15% en el tirante de agua y un revestimiento del orden del 6% del calado. Aunque no son valores estandarizados, el resguardo del 15% del calado es bastante habitual, y como veremos, un espesor de revestimiento del orden del 6% es bastante aceptable ya que suelen rondar en los canales revestidos entre valores de 10 a 15 cm si se extiende con maquinaria específica. En este cuadro, solamente se ofrecen las relaciones de volúmenes de excavación, anchura de caja y volumen de revestimiento entre secciones trapeciales y circulares. Para la sección completa, siempre es mayor la anchura de las secciones trapeciales, en porcentajes comprendidos entre el 1 y el 29%. El aumento de sección excavable, se incrementa, para secciones trapeciales, con el tendido de taludes, llegando hasta un incremento de un 8,7%. El incremento de volumen de hormigón de revestimiento por ml varía entre un 3 y un 16,5%, a medida que crece el ángulo central y se tienden los taludes de la sección trapecio.
Arco circular
Talud trapecial
Volumen excavación
Anchura caja
de Volumen revestimiento
TR/CIR
TR/CIR
TR/CIR
112º
1:1
1,0032
1,0099
1,0270
116º
1:1
1,0100
1,0315
1,0379
120º
1:1
1,0166
1,0535
1,0478
124º
1:1
1,0230
1,0761
1,0573
112º
5:4
1,0309
1,1036
1,0725
116º
5:4
1,0385
1,1291
1,0845
120º
5:4
1,0459
1,1552
1,0955
124º
5:4
1,0531
1,1819
1,1061
112º
3:2
1,0617
1,1996
1,1271
116º
3:2
1,0702
1,2291
1,1405
120º
3:2
1,0785
1,2583
1,1529
124º
3:2
1,0867
1,2901
1,1647
Como se comentará en los procesos constructivos, los ahorros dimensionales entre ambas secciones pueden no ser proporcionales a los costes de ejecución, pues los costes de las diversas
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Tema 4. Canales
unidades de obra como la excavación de caja, refino y revestimiento no tienen por qué ser iguales (de hecho no lo son en la mayoría de los casos).
Por otro lado, a cota de rasante de explanación (ver figuras) el contacto de tierras y revestimiento, en los canales circulares tienen pendientes muy rígidas (ver detalle de figura) entre 1:1,83 y 1:2,45 (H:V), comparados con los taludes tendidos de las secciones trapeciales. Ante la verticalidad que adquiere el revestimiento en esa zona, parece aconsejable, ensanchar el camino de servicio y banquetas, lo que aminora parte de las ventajas señaladas. Además esta tangencia final requiere de una consistencia diferente en el hormigón de revestimiento.
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Tema 4. Canales
Ahora bien, la verdadera importancia económica reside en la posesión de maquinaria específica para realizar la excavación, el refino y el revestimiento, más que en criterios meramente hidráulicos.
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Tema 4. Canales
4. Revestimientos Muchos de los canales existentes se han realizado mediante dragados y composición de secciones en tierras o en roca, sin ningún tipo de revestimiento, a excepción de zonas singulares. Sin embargo en el proyecto actual de nuevos canales siempre se considera su revestimiento por múltiples razones como veremos a continuación. Por criterios económicos, podemos decir que el precio del revestimiento es del orden de un 20% a un 30% del coste del canal. Ahora bien, analizando el problema con atención se llega a la conclusión que en caso de no revestir, el pretendido ahorro puede quedar anulado si se tienen en cuenta factores como la baja velocidad no erosiva del agua que necesitará incremento de sección, mayor movimiento de tierras, mayor superficie ocupada, más longitud de las obras de drenaje y pasos transversales, suponiendo por añadido, que los terrenos por los que transcurre el canal, sean lo suficientemente impermeables y que la erosión y aterramientos sean asumibles en una explotación racional.
4.1. Características de los revestimientos Las condiciones básicas de un revestimiento, aunque evidentes si se quiere obtener una explotación fiable y de gran durabilidad, se indican a continuación: -
Impermeabilidad.
-
Rugosidad mínima.
-
Flexibilidad.
-
Resistencia mecánica
-
Resistencia a la erosión del agua.
-
Durabilidad.
-
Fácil mantenimiento.
-
Coste moderado.
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Tema 4. Canales
4.2. Tipos de revestimiento -
Hormigón en masa
-
Hormigón armado
-
Prefabricados
-
Materiales plásticos
-
Bituminosos o asfálticos
-
Mampostería y sillería. (En desuso)
-
Ladrillo y otros materiales cerámicos. (Habituales en países asiáticos)
-
Tierras compactadas. (No usuales en España)
-
Suelos estabilizados con cemento, cenizas, bentonita, etc. (Soluciones puntuales)
-
Escollera (soluciones contra erosión o con secciones resistentes)
-
Existen otros tipos de revestimientos para actuaciones locales o rehabilitaciones
4.3. Revestimiento de hormigón en masa Se trata del revestimiento utilizado en la actualidad en la gran mayoría de los canales de “nueva construcción”. Se trata de un revestimiento de hormigón en masa ejecutado de forma mecanizada.
4.3.1. Secciones trapeciales 4.3.1.1. Espesores Los espesores variarán normalmente entre 100 y 180 mm. Solamente en casos puntuales se excede de estos valores hasta los revestimientos más gruesos, de 300 mm. Un límite inferior en obras ordinarias sería un espesor de 80 mm, debido a que con espesores inferiores la dificultad de conseguir calidad en la ejecución es importante. Para valoraciones se puede emplear un espesor del 6% del calado del canal, considerando unas tolerancias sobre estas dimensiones pueden ser del 20% en más y el 10% en menos. En cuanto a los taludes de los cajeros para realizar el revestimiento, en función de la profundidad del canal se pueden establecer los siguientes límites inferiores:
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Tema 4. Canales
Profundidad del Canal
Talud mínimo
(m)
(H:V)
< 1,5 m
1:1
1,5 m
1,5:1
Canales con taludes revestidos de hormigón en masa
4.3.1.2. Características del hormigón Se tendrán en cuenta las prescripciones de la Instrucción para la recepción de cementos en la vigente en su caso. Los de mayor aplicación en canales, son los de tipo CEM-II y los cementos puzolánicos tipo CEM-IV. Como adición más corriente hoy día se utilizan las “cenizas volantes”, con menor retracción y riesgo de fisuración, por su lento fraguado. La dotación de cenizas es objeto de estudio pormenorizado y ensayos previos, y llega a alcanzar una proporción del 35 al 50% del total del cemento necesario. Una adición muy empleada en canales es la de los aireantes que aumentan la durabilidad de los revestimientos frente a las acciones de hielo deshielo, por lo que es habitual en zonas con grandes fríos invernales. Además, facilita la trabajabilidad y los buenos acabados con hormigones agrios. La proporción rara vez supera el 2% de peso del cemento. El control de la adición debe ser muy cuidadoso, pues los hormigones pierden resistencia rápidamente si se superan las dotaciones indicadas por el fabricante
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Tema 4. Canales
En cuanto a los áridos, el tamaño habitual de diseño de las mezclas no supera los 40 mm, siendo habitual un valor de 20 a 30 mm, y en ningún caso el tamaño máximo será superior al 40% del espesor del revestimiento. La relación Agua/Cemento, Resistencia Característica y la dotación de cemento a emplear pueden ser:
Condiciones
Relación
Resistencia
Cemento min.
Climáticas
Agua/cemento
(MPa)
(kg/m3)
Severas
0,48 0,02
25
320
Medias
0,55 0,02
25
300
(lluvia sin hielo)
Dependiendo de la inclinación de los cajeros los asientos recomendados del cono de Abrahams en los hormigones son los siguientes: Para taludes superiores a 1,5 (H):1 (V), el asiento del cono estará comprendido entre 5 y 6 cm. Para taludes hasta 1(H):1(V), el asiento máximo estará entre 3 y 5 cm. Para conos superiores, especialmente en taludes bastante verticales, corremos el riesgo de descuelgues y caídas de los paños recién revestidos. Por tanto, el control del asiento del hormigón debe ser sistemático y riguroso. En cuanto a la granulometría del árido, la cantidad de arena será superior a la habitual en estructuras y se cuidará especialmente el huso de aplicación de la granulometría por lo que se recomienda el empleo de, al menos, dos cortes en las arenas salvo que dispongamos de arenas naturales ajustadas al huso. Es normal dosificar con cantidades elevadas de arena, cercanas al 48 - 50% del peso de los áridos, consiguiendo así buena impermeabilidad y lisura de acabado.
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Tema 4. Canales
4.3.2. Secciones circulares 4.3.2.1. Espesores del revestimiento Canales circulares pequeños: de 70 a 150 mm. Canales circulares grandes: de 150 a 300 mm. 4.3.2.2. Características del hormigón El tamaño máximo del árido no supera el 33% del espesor del revestimiento. En general no pasará de 25 mm. La relación agua/cemento y la cantidad de cemento pueden ser algo inferiores a las de las secciones trapeciales: entre 0,42 0,02 y 0,44 0,02, para una dosificación de 300 Kg/m3 de cemento para una resistencia característica de 25 N/mm2 Son hormigones que se colocan en obra con asiento de 2 - 3 cm. Además es importante cuidar el contenido de arena y cemento para evitar arrastres en la ejecución.
4.4. Canales de hormigón armado y prefabricados Cuando hablamos de canales de hormigón armado, generalmente nos referiremos a secciones estructurales o secciones revestidas con taludes importantes. En el primer caso se trata de un elemento estructural con todos los condicionantes de una sección resistente exenta, a base de muros laterales y solera de hormigón armado. Un revestimiento de hormigón armado solo se proyecta en secciones estructurales resistentes, transiciones, etc. o cuando los cajeros son más verticales del 1(V):1(H). Su empleo en la sección tipo normalizada no es habitual, y generalmente ha sido eliminado por innecesario siempre que los taludes sean más tendidos que los indicados en los apartados anteriores.
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Tema 4. Canales
Canal con revestimiento de hormigón armado
El hormigón armado se emplea en la construcción de secciones prefabricadas de diferentes tipologías. Los coeficientes de rugosidad son buenos porque suelen llevar unos buenos acabados, con un control sistemático de las piezas en el taller de prefabricación. Por otra parte, las piezas son normalmente de sección resistente y deben cumplir las instrucciones de dimensionamiento vigentes en cada caso. Para reflexionar En todas estas secciones de hormigón que pueden resistir los empujes del agua interior, hay que darse cuenta de que el agua puede llegar a agotar los resguardos y este incremento de cota entre el calado nominal y el calado total de la sección puede ser condicionante aunque se pueda considerar como una situación accidental. Si consideramos un resguardo del 15% del calado tendremos un incremento de los momentos en la base de la sección de (1,15 3 -1 =) 52% con lo cual agotaremos todos los coeficientes de seguridad Aunque las piezas prefabricadas suelen ser de hormigón armado, cabe también la posibilidad de emplear piezas prefabricadas de hormigón en masa pero en este caso la altura de cajeros no puede ser muy elevada ya que para cargas de relleno o agua existen zonas de la sección sometidas a tracción. Esta debería de limitarse a tensiones inferiores a 8 - 10 Kg/cm2. Este tipo de pieza pues,
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Tema 4. Canales
queda restringida para acequias auto resistentes de tamaño moderado con calados de agua máximos, inferiores al 1,5 m.
Piezas prefabricadas de sección resistente
SECCIÓN AUTORESISTENTE CON RÓTULAS
SECCIÓN AUTORESISTENTE MONOLÍTICA
4.5. Revestimientos plásticos No es habitual el empleo de revestimientos plásticos mediante láminas poliméricas en el diseño de nuevos canales, sin embargo es necesario conocer la técnica correspondiente para la rehabilitación de balsas y canales de grandes dimensiones. Los materiales empleados son polímeros procedentes de los grupos de los termoplásticos o de los elastómeros. Se obtienen por la combinación a muy bajas temperaturas de dos derivados del petróleo; el isobutileno y el isopropileno.
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Tema 4. Canales
Los materiales más usados son los siguientes: -
Termoplásticos:
-
P.V.C. (policloruro de Vinilo)
-
PE (polietileno), de alta densidad, de baja densidad o clorado
-
Elastómeros
-
Caucho butilo
-
EPDM
-
CSPE
Se instala en espesores de entre 0,77 mm hasta 2,5 o 3 mm.
Canal revestido con lámina polimérica
Debido a las características intrínsecas de los materiales plásticos, deben de someterse a una serie de pruebas que indicarán su posible comportamiento una vez colocadas en obra.
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Tema 4. Canales
Las pruebas más específicas serán las que conciernen a: -
Punzonamiento
-
Desgarro
-
Resistencia hidrostática
-
Abrasión
-
Envejecimiento térmico
-
Durabilidad frente al ozono y radiaciones ultravioleta.
Aunque las rugosidades de estos materiales son muy reducidas, una vez colocadas y debidas a los altos coeficientes de dilatación que tienen, se forman arrugas y hay poca información fiable sobre el comportamiento hidráulico de estos revestimientos, especialmente los de Polietileno. Aun así, las velocidades de diseño para estos canales con revestimiento polimérico de materiales plásticos, deben ser reducidas, próximas a 1,0 m/s. Los taludes admisibles en los canales revestidos con láminas plásticas, se requieren inclinaciones preferentemente 1,5:1 o superior, para evitar el descuelgue de aquellas y cuando el perfil excavado es en roca se requiere la colocación de alguna protección frente al punzonamiento. Hay que evitar el ataque de raíces o plantas que crecen en los márgenes del canal, ya que pueden perforar las láminas. Se consigue mediante el empleo de tratamientos herbicidas del terreno soporte.
4.6. Revestimientos asfálticos Los revestimientos asfálticos están constituidos por una capa de una mezcla de betún, gravilla, arena y finos no reactivos (filler). Son realmente un aglomerado u hormigón asfáltico ya que tienen una composición similar a la del hormigón, empleando betún como ligante en vez de cemento. No se emplea agua en su composición y el tamaño de los áridos empleados es mucho menor que en los hormigones. Este tipo de revestimiento es poco empleado en España. Según el tipo de áridos y betunes empleados tenemos:
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Tema 4. Canales
Membranas asfálticas. Son de muy pequeño espesor y por tanto, se trata de morteros con un tamaño máximo de árido inferior a 6 mm. Tienen una capacidad grande de deformación y a diferencia de los de hormigón, se adaptan bien a las variaciones de temperatura, alargándose o acortándose con pequeñas tensiones de compresión o tracción, por lo que no es necesaria la ejecución de juntas. Los calores excesivos, con el canal vacío, pueden causar fluencias del material por reblandecimiento sobre todo en las zonas de cajeros inclinados. Aglomerado asfáltico. Son los revestimientos asfálticos de mayor calidad. Se trata de una mezcla de áridos y betún en caliente que necesita una compactación que reduzca huecos y aumente la impermeabilidad, a pesar de que el huso granulométrico debe ser lo más cerrado posible para conseguir estas características. El espesor del revestimiento varía de 4 a 8 cm. Para espesores mayores se debe hacer en dos capas superpuestas. El ligante bituminoso tendrá una penetración adecuada a las temperaturas de la zona. Para los taludes se utilizan, en general, betún con una penetración de 60/70, que se deberá reducir en zonas cálidas. Para la solera, más fácil de compactar, se puede utilizar betún con penetración 90/100, si ésta se ejecutase en fase distinta de los cajeros. La dotación de betún será entre el 7 y 10% en peso del total de la mezcla. La temperatura de colocación de los revestimientos asfálticos oscilará alrededor de los 140º y la presión de compactación será de 20 a 30 Kg/cm2, ambos factores son determinantes para conseguir una buena impermeabilidad. El tamaño de la gravilla no debe superar al tercio del espesor de la capa. Los áridos calcáreos tienen, en general, mejor adherencia al betún, por lo que es preferible su empleo. Los taludes aconsejables para los revestimientos asfálticos deben ser más suaves que en los de hormigón, a fin de no facilitar la fluencia y el corrimiento de las capas ante la elevación de las temperaturas. Así se utilizan taludes 1,75:1 o 2:1, incluso más tendidos.
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Tema 4. Canales
4.7. Revestimiento de tierras compactadas A pesar de que no es habitual el dimensionamiento actual de canales en tierra, se puede dar la circunstancia de que se necesite habilitar una sección, generalmente corta de un canal o de un encauzamiento, generalmente como obra auxiliar. Por este motivo es necesario conocer al menos el planteamiento general de las características de una sección de canal revestida. Debe quedar claro que en general no son aconsejables los canales permanentes sin revestimiento por muy impermeable que sea el material ya que presenta varias limitaciones importantes. La velocidad debe ser inferior a la que pueda generar una tensión de arrastre superior a la que puedan admitir los materiales que forman el revestimiento. Se denomina tensión de arrastre a la tensión de corte en el contorno de la sección cuyo valor se establece como:
RS Donde es la tensión de arrastre, R es el radio hidráulico y S es la pendiente de la línea de energía. La capacidad de resistencia a este arrastre se puede obtener mediante las fórmulas de Shields o de Meyer-Peter, de forma que la tensión crítica a partir de la cual se mueven las partículas será:
c K ( s )
D50
Siendo K la constante de Shields, D50 el tamaño medio de las partículas y las densidades del material y el agua. Una de las tensiones nos indica el esfuerzo cortante que provoca la corriente por el hecho de fluir con un calado y una pendiente hidráulica, mientras que el resultado de la tensión crítica es aquella que provocará el incio del movimiento de arrastres.
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Tema 4. Canales
Igualando ambos términos obtenemos el binomio (S, R) para cada tamaño de partícula. En primera aproximación será menor la tensión de arrastre cuanto menor sea el radio hidráulico y la pendiente, por este motivo los canales en tierra circulan con muy bajas pendientes o velocidades.
t2
y t1
y 0,60 m
t1 0,30m
t2 0,90m
0,60 m y 1,20m
t1 0,40m
t2 1,20m
1,20 m y 1,80m
t1 0,60m
t2 1,80m
0,80 m y
t1 0,60m t2 2,40m
4.8. Otros revestimientos Bajo este epígrafe se resumen revestimientos diversos que exponemos brevemente a continuación: Revestimiento con suelos estabilizados. Se trata en definitiva de mejorar en los suelos a emplear, en contacto con el agua, su capacidad antierosiva. Los suelos se mezclan con el conglomerante de turno, sea cemento, cenizas, cal, etc., en proporciones entre el 2 y 5% del peso total con objeto de proporcionar una resistencia a la erosión y una impermeabilidad inexistente en el terreno primitivo. Revestimientos combinados. Se trata de elementos metálicos o geosintéticos enlazados formando mallas resistentes Revestimientos de elementos engarzados o cosidos. Son mantas de materiales cerámicos o de hormigón, unidos para formar una superficie resistente a la erosión de los taludes y solera.
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Tema 4. Canales
Revestimiento de Armorflex a base de piezas de hormigón enlazadas mediante cables
Existen varios sistemas patentados con este tipo de revestimientos como el de la figura, donde hay que tener mucho cuidado con todas las uniones con fábricas, todos los inicios y finales y con emplear velocidades altas ya que pueden ocasionar la ruina de la obra.
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Tema 4. Canales
5. Drenaje Los canales como obras lineales interfieren en el desarrollo natural de cauces y vaguadas que cortan. A estas vías naturales que circulan en superficie es necesario darles una permeabilidad suficiente, por este motivo necesitaremos acompañar al proyecto del canal con un estudio de drenaje superficial. Por otro lado, los canales suponen grandes superficies impermeables tanto en el sentido del interior al exterior como al revés, por lo que es necesario contar con una red de drenaje subterráneo que evite los empujes contra el revestimiento, donde sea necesario. De esta forma, cuando el nivel freático es alto puede ocurrir que al vaciarse el canal se produzcan levantamientos en su revestimiento y, en ocasiones, roturas en el mismo. El alto nivel freático puede deberse a la lluvia que se va infiltrando en el terreno o a las propias filtraciones del agua que circula por el canal, filtraciones que se realizan a través de su revestimiento o de sus juntas y no encuentran camino de salida fácil. En los taludes de excavación la humedad disminuye la cohesión del terreno y favorece su deslizamiento, pero existe un peligro todavía mayor en el caso de que el canal se asiente sobre terraplén, ya que la filtración que se produzca a través de aquel dispone de un gradiente hidráulico mayor que en el caso de los desmontes y por ello puede producir fenómenos de arrastre de finos interiores en el terraplén. Se trata por tanto de un elemento muy importante en el estudio del dimensionamiento y sobre todo del diseño de los canales.
5.1. Drenaje superficial El drenaje externo o drenaje superficial se tratará en un tema completo al final del curso, donde se estudiarán los drenajes longitudinales y transversales de las obras lineales, entre ellos los canales. Su finalidad es captar, reconducir y evacuar las aguas de lluvia superficial que puedan afectar o ser afectadas por el canal.
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Tema 4. Canales
Está formado por cunetas o zanjas que interceptan las aguas que corren por la ladera. Las cunetas de cabeza de desmonte están a mayor cota que el canal y las cunetas de explanación están situadas a la misma cota de la explanación del canal y las cunetas de base de los terraplenes están a una cota inferior. Así como las cunetas de coronación y base de terraplén pueden tener una pendiente que no tiene por qué guardar relación con la del canal, las de explanación deben tener las mismas que aquél, por ello al ser una pendiente más reducida el agua tiene poca velocidad y hay que revestirlas de hormigón para combatir el peligro de sedimentación.
Sección de canal revestido con drenaje superficial incluido
Drenaje transversal de un canal revestido
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Tema 4. Canales
5.2. Drenaje profundo El drenaje interno o drenaje profundo tiene como fin la protección del revestimiento del canal para eliminar las filtraciones de este. Suele formarse con tubos porosos situados bajo el revestimiento y a lo largo del canal o bien con capas de material filtrante situadas entre el revestimiento y el terreno soporte del canal; en ambos casos se disponen puntos de evacuación a distancias y lugares adecuados. Cuando exista riesgo de colmatación de estas capas drenantes por migración de los finos del terreno se colocará un filtro bajo ellas, ese filtro puede ser una capa de material granular o un material geotextil.
5.2.1. Drenaje profundo mediante tubería Si existiera una vía de agua o un nivel freático incontrolado que quisiéramos desviar o evacuar, optaríamos por una captación de este caudal y una evacuación mediante zanjas o colectores de intercepción. Si se trata de un elemento aislado, es posible que el método más adecuado de enfrentarse a él sea el aislamiento mediante pantallas u otros elementos que impermeabilicen esta zona. En otro caso, el caudal puede provenir de las propias pérdidas del canal y se dimensionarían los conductos de evacuación suponiendo que el caudal de cálculo de estos drenes se obtiene al considerar las mayores pérdidas permisibles a un canal, que son del orden de 25 a 50 l/m2 en 24 horas. Como orden de magnitud, para una carga de 10 cm, los tubos porosos suelen tener una capacidad de admisión del orden de 0,35 l/minuto y ml. de dren para un diámetro interior de 8 cm. Esto es admisible para un canal que no supere los 10 m de perímetro mojado. Un diámetro comercial de 125 mm estaría indicado para canales comprendidos entre 10 y 15 m. de perímetro mojado en su sección transversal. Para secciones transversales de más
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Tema 4. Canales
perímetro, es necesario colocar un tubo poroso de mayor diámetro o varios tubos de 125 mm para conseguir la superficie drenante adecuada.
Los drenes de tubos se colocan en el interior de una zanja rellena con material filtrante. Pueden ser tubos de hormigón con las juntas abiertas, tubos de hormigón poroso o tubos ranurados de plástico o de cualquier otro material; su diámetro será tal que el perímetro sea suficiente para permitir la entrada de toda la filtración estimada. Cuando la solera no es muy ancha el tubo poroso debe colocarse en el centro de la misma, esta ubicación cuenta con la ventaja de que ante un posible deslizamiento del revestimiento de los cajeros del canal, el tubo no deberá soportar los empujes producidos. Cuando la solera es muy ancha es mejor colocar dos tubos, uno a cada lado de la misma aún cuando no exista la ventaja mencionada anteriormente.
En cuanto a la evacuación del agua que circula por los drenes la mejor solución es soltar el agua en zonas donde haya cota suficiente para desaguar por gravedad.
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Tema 4. Canales
En caso de grandes longitudes sin posibilidad de buena salida de agua debemos disponer de válvulas subpresoras que eliminen el efecto del agua sin salida que se transformará en subpresión que puede levantar el revestimiento en solera y paredes.
Válvulas subpresoras colocadas en tramo de canal
En algunas ocasiones se ha diseñado de forma que el vertido se puede hacer dentro del propio canal, colocando un dren filtrante de grava, longitudinal, conectado con el interior del canal mediante agujeros en el revestimiento, situados a distancia adecuada entre ellos. Esta disposición exige que antes de cada campaña de riegos, al tener que llenar el canal, se taponen los agujeros con arcilla apisonada, y en la época invernal, con el canal vacío esos agujeros se encuentran abiertos.
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Tema 4. Canales
El riesgo de que quede algún agujero sin taponar unido al alto coste de la mano de obra ha llevado a los procedimientos de desagüe mencionados anteriormente. El uso de válvulas subpresoras se extendió en los canales norteamericanos. En España se han colocado en gran cantidad de canales con grandes longitudes en desmonte como en el Canal de Los Payuelos. La salida exterior de los drenes nos permite aforos periódicos que nos irán dando idea del estado de las juntas del canal y proceder, en caso necesario, a su revisión.
Salida de drenes al exterior de un canal
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Tema 4. Canales
5.2.2. Drenaje con capas filtrantes Se puede plantear el uso de capas de material drenante a base de gravas poco graduadas en el apoyo del canal pero la necesidad de una compactación mínima y una colocación rápida hace que únicamente se proceda a emplear este material en soleras.
Sin embargo en algunos canales se ha llegado a utilizar con éxito un hormigón poroso basado en un material granular de tamaño uniforme comprendido entre los 5 y los 25 mm de diámetro, al que se le adicionó una cantidad de 75/100 Kg. de cemento por cada m 3 de árido, colocándose con un sistema similar al de propio revestimiento del canal, incluyendo vibro-apisonado. El sistema de capas filtrantes tiene sobre el de los tubos drenantes la ventaja de favorecer la captación y circulación del agua por debajo del revestimiento en cualquier dirección, en cambio permite distancias de transporte muy pequeñas. Es, sin duda, un buen complemento el dren longitudinal sin el cual, es prácticamente inoperante.
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Tema 4. Canales
5.3. Subpresiones y su efecto sobre los canales Dada la importancia del tema queremos exponer en este apartado, los problemas en los canales causados por la existencia de subpresiones y su difícil corrección cuando la obra está terminada, en pruebas o en explotación. La subpresión en un canal se produce, por la presencia de agua en el trasdós del mismo cuando el canal está parcial o totalmente vacío. De esta manera la presión ejercida por el agua en el perímetro del revestimiento no es contrarrestada en el interior. La presencia de agua en el trasdós puede deberse a que el material empleado en el revestimiento (generalmente hormigón) tiene una cierta permeabilidad con lo que al cabo de cierto tiempo el agua está presente en el trasdós. La exposición a intemperie de las obras de canales y la imposibilidad en algunos casos de mantenerlos con agua provoca la formación de fisuras y grietas que facilitan el paso del agua del intradós al trasdós del revestimiento.
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Tema 4. Canales
Junta de retracción sellada
Grieta en cajero de canal
En la construcción de canales necesitamos ejecutar numerosas juntas de construcción, de contracción y de retracción que pueden no resultar totalmente estancas, ya sea por una deficiente ejecución por imprimación deficiente, humedad o suciedad en el soporte o por fallo de capacidad portante de las paredes soporte del revestimiento a sellar.
Levantamiento de solera por subpresión
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Tema 4. Canales
Borde de infiltración desde la banqueta
Detalle de infiltración desde la banqueta
Otro motivo importante para que el agua llegue al trasdós es la infiltración de agua de lluvia desde las banquetas de coronación del canal. Finalmente, la presencia de Nivel freático alto en la cimentación del revestimiento del canal, es una circunstancia a la que tenemos que enfrentarnos corrientemente en canales de gran longitud. Es posible comprobar que el nivel freático artificial existente en el trasdós del revestimiento de un canal está a un nivel muy próximo al del interior del mismo descendiendo rápidamente al alejarse de la caja. En algunos casos de trincheras, en laderas de fuerte escorrentía, el nivel del freático puede superar al del propio nivel de explotación, ya que la caja de canal actúa como una pantalla de retención de escorrentía de la ladera. Los efectos que pueden causar la ruina de un revestimiento de la caja de un canal por causa de la subpresión, hinchamiento y expansividad son según J. Saura de la Confederación del Guadiana: Rotura de los paños del revestimiento por flexión. El revestimiento de hormigón en masa no soporta las tracciones originadas por la flexión a no ser que la forma del cajero o solera funcione como antifunicular de cargas y pueda absorber el gradiente de tensiones como ocurre en canales con revestimiento circular o parabólico. En las fotos pueden verse roturas por flexión al infiltrarse agua de escorrentía en el trasdós de la sección revestida.
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Tema 4. Canales
Flotación de toda la sección del revestimiento. Se produce una fuerza ascendente superior al peso de los paños de hormigón que componen la caja del canal. Pérdida de capacidad portante del terreno soporte de la caja de canal. Por disminución de fuerzas cohesivas del terreno, por disolución de sales contenidas (sulfatos, yesos, etc.) o por escape de finos a través de la red de drenaje. Asiento de los terraplenes por falta de compactación adecuada o por defecto de humedad durante la formación de los terraplenes, adquiriendo la capacidad de absorción del agua de filtraciones, con la consiguiente pérdida de densidad. En cualquier caso los paramentos del revestimiento quedan sin apoyo produciéndose la rotura bien por peso propio del material o bien por el empuje del agua en el intradós de aquél.
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Tema 4. Canales
6. Juntas Aunque este concepto sea aplicable a muchos tipos de revestimiento, aquí nos referiremos en general a las juntas de revestimiento de hormigón en masa. El hormigón del revestimiento suele encontrarse en condiciones de trabajo bastante duras, es un material muy rígido que se adapta mal a las deformaciones del terreno por pequeñas que estas sean. Asimismo posee una resistencia bastante baja a los esfuerzos de tracción, lo que unido a los efectos de retracción de fraguado y de bajas temperaturas hace que exista un gran peligro de aparición de grietas que serán fuente de importantes filtraciones. Por ello es imprescindible que en los canales revestidos de hormigón se prevean unas juntas adecuadas, que estén debidamente impermeabilizadas, para que los movimientos de revestimiento se produzcan a través de las mismas y que no produzcan filtraciones.
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Tema 4. Canales
6.1. Clases de juntas Las juntas pueden ser transversales al canal o longitudinales al mismo. Las juntas transversales pueden ser de construcción, de contracción o de retracción según aea su finalidad principal. Las de construcción o de trabajo son requeridas por la propia maquinaria de ejecución del canal o bien por el sistema constructivo previsto. Son claramente juntas de construcción las que se encuentran en las secciones resistentes entre la solera y el alzado por su realización en fases diferentes, o bien las de final de tramo en un revestimiento donde inevitablemente se ha de cortar el hormigonado.
Las juntas de contracción se prevén para que no se produzcan fisuras en el hormigón a edades tempranas. Ya que el hormigón tiende a su fisuración en paños de alrededor de 5 m o menores, las distancias entre juntas de contracción ha de ser menor que éstas. Las juntas de retracción o de dilatación permiten acomodarse al hormigón a los movimientos debidos a acciones térmicas debido a su exposición directa a calores y fríos.
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Tema 4. Canales
Las juntas longitudinales nunca son de dilatación ya que la longitud del perímetro del canal siempre es menor que la exigida para que aparezca este fenómeno. Cuando el perímetro es medianamente grande sí son necesarias las juntas de retracción longitudinales. En sentido longitudinal hacen falta juntas de trabajo si en el canal se ejecuta primero la solera y luego los cajeros, esta junta es por cierto muy peligrosa, suele ser un punto de fugas importantes, ya que aquí se acumulan los gruesos del hormigón del cajero, hay pocos finos y poca lechada, por ello hay que tratar con cuidado esta junta, extendiendo si fuese preciso una capa de mortero rico, incluso prolongar la solera con parte de cajero al hormigonar con lo cual la junta no se encontrará en el vértice de solera y cajeros, sino en la parte plana de los taludes.
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CAJERO POSIBLE ZONA POROSA SOLERA 1ª FASE
CAJERO JUNTA SOLERA 1ª FASE
La mayor parte de las veces, se colocarán juntas longitudinales para que en caso de empuje del terreno el revestimiento localice sus movimientos en esas juntas, esto ocurre a veces cuando se hinchan las arcillas por cambios de humedad, o más frecuentemente ocurre, por asientos diferenciales entre distintas capas de terreno, p.e. es el caso de un terraplén poco compactado asentado sobre terreno natural. Como la solera suele tener movimientos de asiento verticales y los taludes lo tienen originando un giro, es conveniente que una de las juntas longitudinales esté en la parte baja del cajero, próximo a la solera.
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Las juntas transversales no deben superar la distancia de 5 m. en obras de hormigón en masa o de 9 a 15 m. en las de hormigón armado. Se construyen imprimiendo, con un perfil metálico, un surco en la superficie que debilita la sección y fija la grieta, estos surcos se sellan posteriormente con un producto adecuado.
En todos los canales que actualmente se ofertan y construyen en España, las juntas están siempre selladas, para evitar al máximo las pérdidas por filtración. La distancia entre juntas de retracción viene definida por la condición de que los esfuerzos que se produzcan en el hormigón por tracción sean menos que los que puede resistir. Los máximos esfuerzos de tracción se producen en el punto equidistante entre dos juntas consecutivas. Los esfuerzos se originan por la resistencia al deslizamiento entre el revestimiento de
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Tema 4. Canales
hormigón y el terreno sobre el que asienta. Esta resistencia tiene dos sumandos: El 1º es el valor de la cohesión y es fijo, el 2º viene originado por el ángulo de rozamiento y es proporcional a la componente normal que actúa. Se deben de colocar juntas de dilatación en todos aquellos puntos en los que la compresión en el revestimiento pueda producir algún daño, por ejemplo en uniones con obras estructurales fijas como acueductos con transición, túneles, etc. y antes de curvas cerradas especialmente si éstas se encuentran en tramos de terraplén. En efecto, las dilataciones del revestimiento en dos alineaciones rectas unidas por una curva cerrada, pueden producir empuje en sentido radial que traslade la curva, aún a pesar de la resistencia del terreno, produciendo filtraciones.
También son necesarias juntas de dilatación entre uniones de arquetas con sifones, de canal con vertederos u obras fijas como aliviaderos y en general cualquier estructura de hormigón armado intercalada en el canal, como dice la Comisión Internacional de Riegos y Drenajes, no necesitándose normalmente en un revestimiento de hormigón.
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No se debe olvidar que la junta de dilatación es un elemento difícil y caro de construir y muy especialmente con las modernas técnicas de hormigonado de canal con encofrado deslizante en sentido longitudinal, con formación sencilla de la juntas de contracción, pero no tanto para las juntas de dilatación. Si la distancia entre juntas es grande, la parte de revestimiento alejada de ellas no sufre apenas movimiento porque el propio terreno lo coacciona, sujetándolo. En las zonas próximas se produce un deslizamiento del revestimiento sobre el terreno. La deformación de la parte que se desliza es la que ocasiona el movimiento de la junta. La longitud del revestimiento que desliza es tanto mayor cuanto menor sea la coacción del terreno y cuanto mayor sea el espesor del revestimiento. Sobre la separación de las juntas de trabajo poco se puede decir, salvo que se transformen en una de las anteriores o bien hay que tratar de hacerlas desaparecer uniendo lo mejor posible la parte de hormigón viejo con la del hormigón nuevo.
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6.2. Juntas de canales circulares Juntas de contracción. Las máquinas revestidoras construyen directamente al moldear el hormigón del revestimiento una ranura de 4 mm. de anchura y un 1/3 del espesor del revestimiento cada 2,5 m. En ellas queda fijada la grieta debido a la retracción de fraguado. Estas grietas resultan capilares como consecuencia de la baja retracción de los hormigones de asiento 0 y de su proximidad.
Para secciones con perímetro 10 m. no es necesario construir juntas de contracción longitudinales. Si 10 < P 15 se construirá una sola en el fondo y si P 15, dos juntas simétricas, a 1,50 m. de la línea de fondo.
JUNTA DE CONTRACCION CUANDO 10 PERIMETRO 15
JUNTAS DE CONTRACCION CUANDO EL PERIMETRO ES
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Juntas de dilatación. En cada interrupción del trabajo de hormigón de revestimiento que exceda de 45’, debe disponerse de una junta de dilatación abierta para su posterior relleno con un mástil asfáltico. La junta tendrá una sección en función del espesor del hormigón.
6.3. Esfuerzos en las juntas Los materiales que forma la junta están sometidos a unos duros esfuerzos de trabajo, ya que deben absorber deformaciones muy grandes en valor relativo. El alargamiento permisible, de forma repetitiva, en el material de la junta, es un dato fundamental para el proyecto de ésta. El material debe ser capaz de soportar deformaciones por alargamiento 50% de su dimensión primitiva. Esta condición lleva aneja el que la adherencia entre el material de la junta y el hormigón sea suficientemente alta, para que no se produzca el despegue y la posterior filtración. En la mayor parte de los casos el fallo de la junta se produce de esta forma. En los cajeros, la junta transversal está expuesta a un descolgamiento del material impermeabilizante, por efecto de las altas temperaturas. Estas condiciones se hacen más difíciles si consideramos que el material debe soportar no solo las temperaturas altas sino también las más bajas. La oscilación de temperatura a tener en cuenta para los materiales de las juntas es muy superior que para el hormigón propiamente dicho, ya que el espesor de éste es un elemento estabilizador ante el proceso de enfriamiento o calentamiento, mientras que en las juntas, a veces con forma de cordón muy delgado y con frecuencia de color negro las oscilaciones térmicas a considerar son muy superiores. Se consideran temperaturas de 60/70º sobre cero y de -10º e
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incluso más. Las bajas temperaturas exigen que el material de las juntas no se vuelva agrio, ni frágil, con la aparición de grietas profundas, que pongan en peligro la impermeabilidad del conjunto. Otro defecto a soportar es el del envejecimiento acelerado por los rayos ultravioletas de la luz solar y la absorción de agua. La presión del agua actuando sobre el material impermeabilizante de la junta tiende a introducirlo hacia el fondo. Estos empujes transmiten la carga primero al material de relleno inferior y este a su vez lo transmite bien a las paredes del hormigón del revestimiento por rozamiento o al material del trasdós que es el propio terreno o tratamiento del mismo. En una junta de dilatación con un canal con 3 m. de calado, de 2 cm. de separación y 3 cm. de profundidad los esfuerzos cortantes entre el cordón de la junta y los dos paños de hormigón del cajero serán: 0,3 kg / cm 2
2 cm 0,1 kg / cm 2 2 x 3 cm
TERRENO
RELLENO ELASTICO
JUNTA ELASTICA
LADO AGUA
No es difícil conseguir materiales que resistan estos esfuerzos cortantes en condiciones normales de temperatura. Cuando las temperaturas son bajas hay más probabilidades de despegue entre el material de junta y las paredes de hormigón.
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Tema 4. Canales
No debe suponerse que el material impermeabilizante resista por sí mismo, por esfuerzo cortante, la presión hidráulica por lo que es imprescindible que el cordón interior de relleno transmita los esfuerzos al terreno o soporte establecido o resista por rozamiento los mismos.
6.4. Modelos de juntas En una junta de contracción (retracción) la separación entre paños es prácticamente nula en todo o en parte del espesor del paño, puede estar ejecutada y formada de las siguientes maneras: El canal se hormigona de forma discontinua con paños alternos tanto en solera como en cajeros. Antes de hormigonar los paños de cierre se pintan los bordes del hormigón ya retraído con producto asfáltico impermeabilizante y se hormigonan los paños intermedios de cierre. Con este sistema se reducen los efectos de la retracción a la mitad, sellando posteriormente la junta una vez acabada la retracción del último paño. El tipo de junta a “media madera” muy empleado antiguamente en soleras no es aconsejable por el riesgo de rotura por los ángulos si estos no son armados. LADO AGUA
MASTIC IMPERMEABLE
PINTURA DE IMPRIMACION
PELIGRO DE ROTURA
El canal se hormigona de forma continua a sección completa. Este tipo de junta está formada por una ranura o iniciación de grieta hecha artificialmente que puede impermeabilizarse posteriormente y que se continúa por otra grieta que rompe totalmente el espesor del revestimiento originada por la retracción del hormigón. La profundidad de la huella suele ser de 1/3
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Tema 4. Canales
del espesor del paño aunque con esta profundidad se corre el riesgo de que el hormigón al contraer se fisure por sitio distinto al premarcado.
Es más seguro premarcar una huella de ½ del espesor del revestimiento con lo cual se asegura la continuidad de la grieta.
En juntas de dilatación en estructuras de hormigón armado como son las secciones de los acueductos dispuestos en vigas en de cierta longitud, están sometidas a dilataciones, contracciones y esfuerzos de corte o cizalla, si las secciones está simplemente apoyadas. En estos casos la junta entre cuba y cuba podría ser como en la foto y en los dibujos adjuntos.
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JUNTA DE PVC
MESETAS DE MORTERO EPOXIDICO EN EL BORDE INTERIOR DE CADA
LAMINA IMPERMEABLE CON BUCLE
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CILINDRO HUECO DE MATERIAL VINILICO ESPONJOSO M ASI LLA EPOXI DI CA ELASTI CA DE DOS COM PONENTES
IMPRIMACION SOBRE HORMIGON
MESETAS DE MORTERO EPOXIDICO EN EL BORDE INTERIOR DE CADA JUNTA
LAMINA IMPERMEABLE CON BUCLE
Aparte de las juntas más usadas citadas ya en los ejemplos anteriores, hay un gran número de formas y materiales hoy más o menos en desuso para canales que pueden citarse: Perfiles de P.V.C. para ser incrustados con la máquina de revestir longitudinal o transversalmente en el hormigón fresco. Son de gran efectividad pero requieren una maquinaria especial.
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JUNTA LONGITUDINAL
JUNTA TRANSVERSAL
Pozos rellenos de arcilla en estructuras, como muros cajeros de ataguías y encauzamientos.
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Rellenos de mortero armado.
Juntas con viga de cierre.
Juntas con chapa de cobre, con bucle y aletas embebidas en hormigón como los perfiles de P.V.C.
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Tema 4. Canales
6.5. Materiales para juntas Se puede establecer tres grupos de materiales: Materiales no vulcanizables son los que se colocan en las juntas en formas de masilla y conservan las mismas propiedades físico-químicas que tenían antes de su colocación al margen de que hayan pasado por una etapa de colocación generalmente con calentamiento previo que modifique su viscosidad. Materiales vulcanizables son los que están compuestos, al menos, por dos elementos básicos que se mezclan en el momento del relleno de la junta y que reaccionan formando un producto consistente, durable y elástico parecido a la goma y adhesivo al hormigón. A este proceso se le llama de vulcanización. Materiales que ya están prefabricados formando bandas o cintas que conservan la forma y características previas a la colocación de la junta así como la elasticidad, resistencia, etc. La mayoría de las masillas no vulcanizables para relleno de juntas corresponden a los formadas por betún asfáltico. Los materiales vulcanizables formados por al menos dos materiales mezclados previamente a la colocación, pueden estar formados en general por caucho más betún, resinas epoxi y polisulfuros. Los materiales que ya están prefabricados como las bandas y cintas elásticas impermeabilizantes para juntas, tienen distintas formas y son capaces de sufrir alargamientos y contracción notables.
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7. Elementos singulares de un canal Son obras complementarias del canal, intercaladas o próximas al mismo que constituyen unidades constructivas en si mismas siendo necesario dotarlas, para su ejecución, de equipos especiales. En general estas obras singulares son de hormigón armado y soportan elementos metálicos (compuertas, etc.) así que tanto la maquinaria como los equipos humanos que se requieren para su ejecución deben preverse de forma independiente de los requeridos para el tronco de la obra principal, ya que se ejecutan simultáneamente y son de distinta naturaleza. Según la envergadura, estas obras singulares a veces adquieren la categoría de obras principales en sí mismas, como pueda ser la construcción de un túnel hidráulico (12 Km.) para el trasvase de cuencas (Guadiaro-Majaceite) o los acueductos del Trasvase Tajo-Segura con unos 10 Km. de longitud de dovelas sucesivas postesadas, etc. Así dentro de estas obras singulares describiremos brevemente las siguientes: -
Obra de toma. Azud de derivación.
-
Acueductos.
-
Túneles.
-
Sifones.
-
Balsas.
-
Picos de Pato, Vertederos y Aliviaderos.
-
Transiciones.
-
Obra final de entrega
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Tema 4. Canales
7.1. Obra de Toma Si la toma de agua se realiza en un río, se intercepta este con un azud en general de poca altura, dotado de compuertas y aliviadero móvil. A través de una sección de desvío se logra derivar el caudal de diseño del canal que habitualmente dispone de una serie de elementos mecánicos y compuertas que regulan el paso del agua hacia la sección principal del canal. En la propia sección de conexión se proyecta un by-pass hacia el río mediante un canal de restitución que conecta aguas abajo del azud. Esta es la disposición más corriente en la obra de toma y derivación de un río.
El azud no debe producir embalse excesivo del cauce aguas arriba ya que inundaría zonas sin expropiar, núcleos habitados, tierras de labor, etc., por lo que, solo cierra compuertas para producir
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Tema 4. Canales
un remanso en combinación con la apertura de las de la toma en la cabecera del canal y cierre del canal de restitución.
Disposición habitual de la Toma. Se aprecia el azud de derivación construido y el canal de restitución que se incorpora aguas abajo desde la cámara de compuertas
Si la toma se realiza en una presa o mediante bombas en pozos perforados, primero el agua deberá pasar por una arqueta de rotura de carga, siguiendo después el proceso normal de derivación a la cabecera del canal. El cuerpo de presa del azud de derivación suele ser de hormigón y poco alzado sobre el nivel del río, consiguiendo la altura de calado mediante el cierre de las compuertas circulares soportadas por una superestructura con muros cajeros y aliviadero con compuertas verticales.
7.2. Acueductos Son estructuras pensadas para dar continuidad al canal en su paso salvando vaguadas o ríos, a modo de puentes, a veces de gran longitud. Se componen de pilares y sección de hormigón completa que puede ser abierta o cerrada, denominada generalmente cuba. Se trata de una estructura similar a un puente aunque en este caso, las cargas son bastante altas al transportar el agua.
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Tema 4. Canales
Previamente a los acueductos es norma de buena práctica, la ejecución de una cámara de válvulas con un aliviadero de ubicación lateral que permita la puesta en seco del acueducto en caso de ser necesario. La capacidad de este aliviadero será la nominal del propio canal.
Acueducto del Canal de Riansares. En esta obra se utilizaron vigas de lanzamiento como cimbra móvil, deslizando sobre escuadras metálicas provistas de rodillos anclados en las pilas. Lo escarpado de las laderas y la altura de pilas desaconsejó la cimbra desde el suelo
Acueducto del Canal del Porma. Con cimbra apoyada en el terreno y carro deslizante de encofrado.
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Tema 4. Canales
7.3. Túneles Son elementos de continuidad del canal que se emplean cuando la cota de desmonte prevista es excesiva y compensa la ejecución de este tipo de estructuras. Las secciones de los túneles hidráulicos suelen ser circulares, medio punto o herradura cuando la sección es única y se excava por procedimientos clásicos como explosivos, rozadoras, etc.
Si se excava con tuneladora la sección siempre es circular y se reviste con dovelas prefabricadas en taller y colocadas por la propia tuneladora.
Si la ejecución en trinchera supone un impacto ambiental muy fuerte, se suele adoptar la solución de hacer falsos túneles, generalmente de sección única o doble con cajones o abovedada con arcos más o menos rebajados para poder restituir el terreno y acondicionarlo debidamente.
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Tema 4. Canales
Falso Túnel de Vidanes en el Canal Alto de los Payuelos. En estas secciones se dispone a veces de sección doble por garantía de funcionamiento y con hipótesis de partida de régimen libre del agua.
También se pueden emplear para un falso túnel la instalación de tuberías metálicas o de hormigón armado de diámetros adecuados como elementos sustitutorios de fábrica “in situ” y siempre en régimen de lámina libre que es lo que los distingue de los sifones.
7.4. Sifones Se trata del elemento en presión más representativo de los canales y supone una forma de salvar vaguadas o depresiones, sin mantener la pendiente básica del perfil general de la obra. Debe tener suficiente sección para soportar el caudal de diseño establecido en el canal con la menor pérdida de carga posible.
Sabías que… Antiguamente se proyectaban como elementos de tubería sencilla pero hoy en día, igual que en el caso de los saneamientos se diseña con un mínimo de dos elementos. Cuando se trata de un elemento doble se diseña con capaci dad suficiente para evacuar al menos 2/3 del caudal por cada conducto, de forma que en caso de mantenimiento o reparación de uno de los conductos se pueda seguir suministrando gran parte del caudal por uno de ellos. Incluso, se puede aumentar su capacidad agotando los resguardos del canal.
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Tema 4. Canales
Suelen proyectarse en tubería de acero u hormigón armado con camisa de chapa, soldando las uniones, aunque podría emplearse cualquier tipo de tubería. La toma y la entrega del agua se hace con estructuras de transición en forma de arquetas con entradas y salidas especialmente suavizadas donde las tuberías entran en carga evitando al máximo la aducción de aire en los conductos.
El sifón invertido debe ser proyectado con dos cámaras visitables, cámara de entrada y cámara de salida. La cámara de entrada debe ser proyectada de manera que oriente el caudal hacia las tuberías que constituyen el sifón propiamente dicho y debe contar con los dispositivos que permitan: -
El aislamiento de cualquiera de las líneas para su limpieza.
-
El desvío del caudal afluente para cualquiera de las líneas, aisladamente o en conjunto con otra.
-
El desvío o by - pass directamente para un curso de agua o punto de vertido.
-
La entrada de un operador o equipos para desobstrucción o agotamiento.
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Tema 4. Canales
Los dispositivos para aislamiento de tuberías suelen ser compuertas o ataguías metálicas o bien vertederos adecuadamente dispuestos para permitir la entrada en servicio de la nueva tubería después de alcanzar el límite de capacidad de la anterior. En la misma cámara o entorno cercano se dispone generalmente un aliviadero lateral que limite el caudal de entrada a los sifones si se produce una falsa maniobra en el canal. También se empleará este aliviadero lateral, funcionando como lateral o como frontal, si queremos aislar uno o varios conductos del sifón. Por tanto, igual que en el caso de los acueductos, la capacidad del aliviadero trabajando como frontal y hasta agotar resguardos, será la capacidad nominal del canal.
Almenara o aliviadero en arqueta de toma de un sifón. El sifón, enterrado, sale por la derecha de la imagen
La instalación de las tuberías de los sifones suele ser en zanja, restituyendo posteriormente el terreno compactado hasta la cota original existente.
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Tema 4. Canales
Sifón con doble sección circular
En el punto más bajo de los conductos se incorporan desagües intercalados que se encargan de vaciar las tuberías en caso de necesidad. Estos puntos bajos estarán conectados a cauces naturales mediante secciones revestidas o en tubería.
7.5. Balsas Las balsas se emplean como elemento regulador y de almacenaje de caudales excedentes, independientemente del empleo de las compuertas en la toma y aliviaderos, para sistematizar el caudal circulante. La importancia de las balsas, se debe a que con ellas se optimiza el caudal servido por el canal. En los canales de regadío, al estar fijado el periodo de riego de forma intermitente durante la jornada de día, el caudal circulante durante la noche se desaprovecharía de no poder almacenar en las balsas.
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Tema 4. Canales
Balsa de Regulación de un Canal
Los aspectos más interesantes de diseño de las balsas son los siguientes: Debe haber equilibrio, dentro de lo posible, entre desmonte y terraplén. Deben estar próximas al canal para no alargar innecesariamente el sistema de alimentación y descarga. La cota de fondo de balsa debe quedar lo más elevado posible con lo que se consigue dominar una superficie mayor y disminuir la cota de excavación. La alimentación de la balsa desde el canal se puede hacer, bien con tuberías o con canal abierto de conexión. El canal de conexión tiene la ventaja de poder prescindir del aliviadero a su llegada a la balsa. El canal estará dotado de compuertas de toma y una transición que ensancha la sección a fin de acortar la altura de lámina, así cuando la balsa está llena el nivel dentro de ella es el mismo del agua que circula por el canal de conexión asegurando la imposibilidad de sobrellenados accidentales.
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Tema 4. Canales
El sistema de toma y vaciado se efectúa por medio de tuberías metálicas ancladas en el fondo de la balsa pero también puede realizarse mediante bombeo de succión efectuado por encima de la cresta.
Balsa final de tramo para almacenaje de excedentes. Lámina de PEAD
7.6. Picos de Pato, vertederos y aliviaderos Vamos a distinguir entre los vertederos y los aliviaderos del canal, de forma que los primeros constituyen estructuras reguladores de la cota o nivel del agua en un tramo del canal, vertiendo hacia el interior del canal en la sección de aguas abajo, mientras que designaremos como aliviaderos aquellos elementos que para mantener el nivel en el tramo del canal, lo vierten hacia un medio ajeno al canal principal, ya sea a un cauce o aun elemento regulador como una balsa o un depósito. El funcionamiento hidráulico de un vertedero es el mismo que un aliviadero con disposición oblicua con lo cual sigue una ley del tipo:
Q C L H 3/ 2 Dónde el coeficiente C incluye correcciones por la disposición oblicua y por la sumergencia que se pueda producir, si bien, estos elementos se proyectan con gran longitud de vertido ya que su
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Tema 4. Canales
misión principal es mantener prácticamente constante la cota de lámina aguas arriba de la estructura, y por este motivo funcionan con un vertido de muy poca altura de vertido y un coeficiente poco modificado respecto de un aliviadero frontal.
Vertederos de gran longitud vistos en planta. El primero es oblicuo al canal, el segundo es un vertedero pico de pato y el tercero es un aliviadero laberíntico. Todos tienen el mismo funcionamiento hidráulico
Los vertederos en pico de pato son clásicos de los proyectos de canales por su sencillez y robustez, además de que permite la incorporación de otros elementos de regulación en la propia estructura. Su denominación proviene de la forma en planta del vertedero que es semejante a un módulo de un vertedero laberíntico, cuyo funcionamiento se ha visto en el tema correspondiente.
Vertedero pico de pato en funcionamiento
En la práctica totalidad de los casos, un vertedero o un pico de pato van acompañados de un aliviadero de control que vierte al exterior generalmente o a través de un by-pass hacia el propio canal, aguas abajo de la sección donde se encuentra el vertedero.
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Tema 4. Canales
Construcción de un vertedero pico de pato en el canal. Al inicio y al final de la estructura, ésta se une al canal mediante transiciones y a ambos lados se han ejecutado unas zanjas que alojarán las cubetas de dos aliviaderos de seguridad.
Los vertederos son igualmente estructuras de hormigón armado cuya función principal es mantener el nivel del agua del canal aguas arriba con el propósito de que las tomas de agua para riego funcionen correctamente y tengan siempre un nivel de agua constante. En este caso su disposición en planta puede ser variada pero generalmente oblicua al flujo para permitir una gran longitud de vertido y, por tanto, una reducida variación de nivel para cualquier caudal circulante. Se instalan siempre como elementos de control en la sección de compuertas, normalmente asociados a aliviaderos de vertido exterior. Los aliviaderos son estructuras de hormigón armado intercaladas en el tronco de canal y dotadas de vertederos laterales de descarga de agua, cuya misión es la descarga de caudal al exterior para mantener la cota de agua por debajo de los resguardos del canal y evitar sobrevertidos incontrolados, generalmente por falsas maniobras.
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Tema 4. Canales
Aliviadero lateral del Canal de Navarra para 120 m3/s. Se trata de un aliviadero lateral por ambos lados, dada la longitud requerida, que se comunican por debajo del canal para una salida común
A veces la estructura está asociada a un sistema de compuertas que se cierran para poder verter, como es el caso de las zonas de entrada de sifones o acueductos, de forma que en caso de mantenimiento se pueda producir el vertido del excedente. Se instalan en sitios cercanos a vaguadas o cauces que puedan absorber los caudales procedentes del vaciado del canal de descarga del aliviadero. Tanto los canales de descarga como los cauces naturales deben protegerse con escollera u otro material que resista la erosión. Los canales de descarga en prácticamente todo el recorrido si su sección es erosionable para el caudal de vertido, y en el cauce receptor para prevenir erosiones en la zona de descarga y su entorno.
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Tema 4. Canales
7.7. Transiciones Son estructuras intercaladas en el tronco de canal en las zonas donde cambia de sección. Son obligados en los casos siguientes: -
Cambio de sección en los canales de cualquier sección.
-
Paso de canal trapecial o circular a acueducto y viceversa.
-
Paso de canal trapecial o circular a túnel circular y viceversa.
-
Paso de canal trapecial a túnel de medio punto de base rectangular.
-
Paso de canal trapecial a pico de pato, aliviadero, sifón, que suelen ir en secciones rectangulares.
Hidráulicamente deben funcionar adaptando, de una sección a otra, el caudal circulante a la nueva geometría de forma que el régimen hidráulico establecido se resienta lo menos posible con turbulencias, remolinos o pérdidas de carga.
Transición de sección trapecial de canal a túnel
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Tema 4. Canales
7.8. Obra de reintegro al cauce La diferencia de cota existente entre la zona de recepción del agua y el canal, da lugar a una estructura de hormigón armado más o menos importante en función del caudal excedente y el desnivel, dotada de escalones, zampeados, datos de hormigón, cuenco amortiguador, etc. similares a las de los aliviaderos en las presas dispuestas para romper la energía y evitar erosiones del terreno.
Dispositivo de entrega mediante disipador tipo IX del USBR
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Tema 4. Canales
Dispositivo de vertido del trasvase Guadiaro-Majaceite a la salida del túnel de dovelas
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Tema 4. Canales
8. Elementos mecánicos. Compuertas En los canales emplearemos una serie de dispositivos que nos permiten realizar distintas funciones de control y regulación. Los principales serían los siguientes: Compuertas, válvulas y obturadores. Órganos hidráulicos de regulación de niveles y caudales. Medición de caudales por ultrasonidos, en canales y acequias.
8.1. Compuertas 8.1.1. Clasificación Hay distintas clasificaciones posibles de las compuertas empleadas en los canales que vamos a recoger en este capítulo, Con respecto a la posición del nivel de agua respecto al tablero, o la carga de agua se denominan: Compuertas de canal abierto o superficie, cuando la carga de agua no supera la altura del tablero. Compuertas de fondo, cuando la carga de agua supera la altura del tablero. Con respecto a su función se dividen en: Compuertas de TODO o NADA: Su función se limita a abrir o cerrar un conducto, no adoptando posiciones intermedias. Son de seccionamiento del canal. Compuertas de Regulación: Son las utilizadas en posiciones intermedias, obteniéndose caudales variables de salida. Compuertas automáticas de nivel constante: Se utilizan para mantener un nivel constante en Aguas Arriba o Aguas Abajo con el fin de que el aforo de las tomas mediante módulos ya
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Tema 4. Canales
establecidos sea lo más exacto posible. Son válvulas hidráulicas automáticas reguladas por contrapesos Ataguías: Son tableros utilizados para cerrar un conducto, en casos de emergencia o de reparaciones y mantenimientos. Con respecto a su accionamiento se dividen en: -
Manuales: o Tiro directo: Columna o Puente. o Husillo: Columna o Puente. o Contrapeso
-
Eléctricas y manuales de emergencia: o Husillos: Columna o puente o Contrapeso. o Hidráulicas. o Neumáticas.
- Automáticas: Las denominadas hidráulicas son las que utilizan para su movimiento la presencia del agua. o Clapetas o retenciones. o Nivel constante: Aguas arriba o Aguas abajo. Con respecto a su diseño se dividen en: Pivotantes: Son las que se mueven con relación a un eje de giro. Tajaderas o planas: Son las deslizantes verticales sobre bronce, latón, poliamida, etc.
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Tema 4. Canales
Compuertas planas
Vagón: Tienen para deslizarse un sistema de ruedas o rodillos. Taintor: Son compuertas con el tablero formado por un segmento circular. Nivel constante: Tienen el tablero cilíndrico, contrapesos y flotadores según el sentido del nivel a mantener constante.
8.2. Compuertas reguladoras de nivel y de caudal 8.2.1. Compuerta de nivel aguas arriba constante Estas compuertas denominadas AMIS, colocadas en un canal, mantiene automáticamente el nivel aguas arriba a una cota determinada gracias a la presencia del sistema flotador- compensador que queda en equilibrio indiferente cuando el nivel del agua está a la altura de su eje de rotación.
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Sus características son: regulación exacta, débil pérdida de carga, arrastre por el fondo de posibles depósitos sólidos sin interferencia y sin perturbación de la compuerta. Se fabrican modelos de diferentes tamaños, con pérdidas de carga de 2 a 100 cm.; caudales de 100 a 55.000 l/s. Estas compuertas colocadas en el canal principal, asociadas con un módulo calibrado instalado en derivación, permiten realizar tomas de caudal constante y ajustable. Colocadas en serie en canales, estas compuertas permiten conseguir la regulación automática de las redes de riego de control desde aguas arriba.
8.2.2. Compuerta de nivel aguas abajo constante Se denominan compuertas tipo AVIS. Colocadas en orificios en carga o en el mismo canal principal, regulan el nivel aguas abajo, utilizando como las compuertas anteriores las propiedades particulares del flotador-sector con contrapeso de compensación.
Sus características son: regulación exacta, débil pérdida de carga, automatización posible de la distribución sin energía exterior. Se fabrican modelos con; pérdidas de carga de 1 a 130 cm.; caudales de 20 a 40.000 l/s. y con pérdidas de carga entre 1 y 35 cm.; caudales de 300 a 60.000 l/s.
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Colocadas en derivación de una canal o a la salida de un embalse, permiten conseguir la regulación automática de las redes con control desde aguas abajo.
8.2.3. Compuertas mixtas Este tipo de compuertas mixtas, colocadas en un canal, permiten establecer unas relaciones dadas entre los niveles aguas arriba y aguas abajo de acuerdo con leyes predefinidas. Para conseguir este fin, es accionada por 2 flotadores-sector con contrapesos de compensación, sumergidos en 2 cajones separados, pero conectados respectivamente con los niveles aguas arriba y aguas abajo, y entre sí por un circuito auxiliar que combina vertederos y orificios calibrados.
Se fabrican modelos de compuertas mixtas, equipadas de flotadores de radio pequeño o grande y con dos carreras angulares posibles. Caudales de 3 a 45 m 3/s., con una pérdida de carga mínima de 0, 10 a 0,15 m.
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Tema 4. Canales
Dada la gran variedad de sus funciones, se reservan las compuertas mixtas al equipamiento de grandes canales con volúmenes suficientes para poder constituir reservas repartidas y compensar aportación y de manda de agua diaria.
8.2.4. Partidores de caudal Instalados en canales, acequias o a la salida de embalses, los módulos calibradores permiten suministrar un caudal constante, independientemente de las fluctuaciones del nivel aguas arriba (dentro de ciertos límites indicados en los correspondientes ábacos). Obtienen sus propiedades de la asociación de un zócalo perfilado y de una pantalla inclinada fija, colocados de tal manera que compensen el efecto de una subida de nivel. Añadiendo una segunda pantalla fija, se pueden tolerar variaciones del nivel aguas arriba mucho más importantes sin afectar al caudal suministrado.
Se trata de un dispositivo totalmente estático de fácil colocación, construcción robusta y de gran sencillez de manipulación, en el que ajustamos el caudal mediante vanos calibrados. También existen partidores proporcionales fijos o móviles que permiten, mediante un ajuste de la anchura del vano de paso, aumentar o disminuir el caudal por cada conducto. La relación de los caudales derivados es igual a la relación de los ángulos formados por la aleta móvil y los lados de
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la obra, e independiente de los niveles aguas abajo gracias al resalto. Este partidor tiene además una pérdida de carga muy débil
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8.3. Aliviaderos en sifón Colocado como órgano de descarga en un depósito o canal, evita desbordamientos, evacuando aguas excedentarias. Tiene una capacidad de descarga notable para una reducida subida del nivel aguas arriba. Las dimensiones y obra civil correspondiente son reducidas, manteniendo un funcionamiento fiable dado que el riesgo de obstrucción es muy bajo. Además no tiene ninguna parte móvil. Se puede conseguir un sistema progresivo de caudales mediante la colocación con distintos niveles de referencia y otros métodos de “parcialización”. Se construyen varios modelos estándar de sifones, capaces de evacuar caudales unitarios de 60 a 1400 l/s. Para caudales superiores se pueden colocar en batería de varias unidades funcionando en paralelo.
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Tema 4. Canales
Detalles de un aliviadero en sifón, extraído del libro Small Canal Stuctures
8.4. Medición de caudales Se exponen a continuación métodos de medir caudales en los canales y arterias de abastecimiento: Medición de caudales por cálculo en elementos de regulación. Medición de caudales por ultrasonidos. Los elementos de regulación, son sitios idóneos para la medición de caudales no solo por sus condiciones geométricas sino también por ser el paso obligado del flujo de agua a medir en los puntos donde hay ramales, tomas, derivaciones, etc. El sistema de medición por ultrasonidos consiste en una instalación de unidades electrónicas en el canal que controlan los parámetros de velocidad y el calado, calculando el caudal circulante de forma continua. Un sistema de medida de caudal por ultrasonidos está formado por: De uno a ocho haces de medida de velocidad. Uno o dos sensores de medida de nivel.
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Las unidades electrónicas que controlan los sensores de velocidad y nivel, calculan el valor del caudal, presentan la información al usuario y entregan las señales del proceso. El esquema de la configuración de un sistema de medida se puede ver en la figura adjunta.
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9. Fases de ejecución de Canales Dado que no es objeto de este curso la construcción de Canales sino su predimensionado y diseño, no nos vamos a extender sobre este tema hacia el desarrollo y resolución de los distintos problemas constructivos que se pueden dar durante la ejecución de este tipo de obras. Sin embargo, y dado que hay aspectos constructivos que influyen en el diseño de la obra, se van a ir mencionando las distintas fases de construcción más comunes, así como desarrollaremos en cada apartado concreto la maquinaria específica que emplearemos para la realización de los canales revestidos de hormigón que son los más habituales hoy en día.
9.1. Excavación de la caja del canal En este apartado se trata exclusivamente de la excavación de la destroza de la caja sin incluir el terreno de resguardo sobre la sección definitiva, que será refinada en operación posterior.
Terreno natural
Excavación explanación hasta banqueta (Fase M.T.)
Exc. caja (Fase 2)
Resguardo de protección (Fase 3) Corresponde a una situación en que la caja de canal está toda o casi toda ella en terreno natural, bien sea en trinchera o a media ladera. Los criterios de excavación serán los mismos que en explanaciones generales con las limitaciones de anchura por lo que las traíllas están prácticamente descartadas por sus amplios movimientos y el espacio necesario para sus evoluciones (salvo en canales de anchura excepcional).
En general, en canales de nueva construcción con secciones trapeciales o semicirculares comprendidas entre los 5 m. y 20 m. en coronación y calados hasta alrededor de 4,5 m., si es
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necesario, se puede escarificar el terreno con ripper en pasadas sucesivas pero solamente en sentido longitudinal, disminuyendo la anchura tratada a medida que aumenta la profundidad. Terreno natural
Excavación (Fase M.T.) Excavación caja
Sobreancho de terraplén (M.T.)
(Fase 2) Terraplén (Fase M.T.) Resguardo de protección Fase 3
Escalonado de terreno natural (Fase M.T.)
Sección a media ladera. Resulta lógico casi siempre, no excavar la caja hasta completar el terraplén del camino de servicio.
El macizado de la caja puede parecer, en principio, un exceso de terraplén innecesario que posiblemente no será de abono, pero tiene las siguientes ventajas: Evita el llenado o estancamiento de agua de lluvia en la cuña formada, con el posible entumecimiento y deterioro de los bordes de la futura caja. Facilita mucho el tránsito del movimiento de tierras en el tramo, evitando zonas estranguladas donde es difícil el cruce de vehículos y máquinas
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Sobreanchos de protección (Refino Fase 3) Posible macizo (evaluar costa) Terraplén Terraplén Fase M.T.
Fase M.T. Resguardo mínimo 1 m
Obra de paso o de drenaje
Sección en terraplén con paso de obra de drenaje transversal. No es la sección idónea de Canal ya que tenderemos a colocar el fondo del mismo sobre el terreno natural.
Si el tráfico del M.T. es intenso en la zona y el tránsito no es desviable fuera de la traza sigue siendo interesante pensar en macizar la sección completa de caja, o algo rebajada de cota para disponer de ancho de plataforma suficiente hasta el momento de la excavación
9.2. Refino de la excavación Es la excavación del resguardo de la fase anterior, que deja el terreno definitivo al descubierto. No debe permanecer mucho tiempo en esta situación ante probables deterioros, salvo que el terreno sea rocoso en cuyo caso es más o menos indiferente el tiempo transcurrido. Una vez excavada la caja por uno de los procedimientos descritos en el apartado anterior se procede al refino de la superficie donde apoyará directamente el revestimiento del canal. Es una operación que se debe realizar con la mayor precisión posible, ya que un error centimétrico en más o menos supone, en el caso de revestimiento de hormigón colocado con máquina extendedora, un espesor de revestimiento excesivo o escaso.
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El refino puede ser: -
En tierras.
-
En terreno de tránsito.
-
En roca.
Refino en tierras con retro de cazo con forma ataluzada
El refino en tierras requiere una topografía estricta colocando unas maestras previas o galibo cada cierto número de metros que sirvan de guía cuando se excava en línea con medios mecánicos como retroexcavadoras con cazo ataluzado. Si el refino se efectúa en terrenos muy flojos, que se degradan con rapidez pero sin empujes, se puede extender un pre-revestimiento en una o varias pasadas de hormigón poroso o no, extendido, excavando más sección con objeto de dar cabida a la sección previa, cuya misión es preservar (sujetar y/o en su caso drenar) de la degradación o meteorización al terreno original. Si se refina con máquinas diseñadas para este fin, hay que situar con topografía precisa, piquetes con hilos para guía de los palpadores que porta la máquina.
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Máquina refinadora para trabajar en tierras.
9.3. Ejecución de drenes Si el dren lateral es continuo se puede colocar el material drenante de toda la sección con la máquina de extendido del hormigón. Previamente se habrá colocado el tubo de fondo que ha de quedar cubierto. Esta solución encierra dos inconvenientes: Obliga a la máquina extendedora (LINER) a realizar otra operación además de la del extendido de hormigón, con la consiguiente pérdida de rendimiento diario. Hay que dosificar cuidadosamente el material drenante buscando su sostenimiento. En algunos casos se ha empleado una gran proporción de arena con una humedad óptima. En el caso de drenes laterales discontinuos, estos se excavan con retroexcavadora, limitándose la refinadora a dejar la sección preparada para colocar el dren de fondo. Cuando el dren de fondo no lleva tubo, se puede equipar la máquina refinadora de una tolva trasera que con una cinta alimentadora va colocando el material drenante dejando la sección lista para hormigonar.
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Otra solución para el dren de fondo, si es que tiene que llevar tubo, es en la que el dren se excava con retro y se deja terminado con su tubo y material drenante antes de pasar la máquina refinadora, la cual deja la sección justa para el hormigonado.
9.4. Fase de revestimiento Nos centraremos en el revestimiento de hormigón en masa que es de los más empleados y específicos de los Canales, con el empleo de máquinas que moldean mecánicamente el hormigón de la sección total o parcialmente. Cuando se va a empezar el revestimiento de hormigón “in situ” con maquinaria de extendido hay que evaluar cuidadosamente los parámetros intervinientes: Producción de planta asegurada en combinación de otras necesidades de la obra. Transporte continuo asegurado que facilite a la extendedora la dotación de hormigón establecida. Tramo suficiente de canal refinado y con los paramentos sensiblemente en su lugar teórico. El segundo punto, transporte del hormigón suele ser la “fase crítica” que limita la producción del revestimiento de un canal. En los casos en que se prevé la exposición de la excavación y el refino durante bastante tiempo, puede ser interesante optar por una protección previa al revestimiento del canal. También puede ser aconsejable algún tipo específico de protección si nos encontramos con dificultades en la disposición de terrenos para el avance, o por la agresividad del medio o incluso por la presencia de niveles freáticos altos.
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Canal con pre-revestimiento
El revestimiento definitivo puede realizarse con cualquiera de los materiales especificados en los apartados correspondientes. En el caso de secciones trapeciales se pueden emplear máquinas específicas que son capaces de colocar hasta 15000 m3/mes con puntas superiores a los 200 m3/h, con lo cual vemos que el cuello de botella o paso crítico lo constituye el transporte del hormigón a la alimentación de la máquina.
Revestidora de sección completa
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Otro sistema de revestido se ha empleado en otros canales como el Canal de Riansares del trasvase Tajo-Segura ya que es un canal de media ladera con perfiles mixtos de fuerte pendiente transversal y la caja de canal está diseñada con las condiciones estrictas de ocupación, con un perfil topográfico muy quebrado, una banqueta interior (lado talud) mínima, con objeto de que la ocupación sea la imprescindible y abundancia de terrenos duros (voladuras). En estas condiciones, el empleo de una máquina revestidora a sección completa tenía serias dificultades en su trabajo no solo por la ausencia de tramos largos, los numerosos saltos y la dificultad de tener refinados ambos taludes al mismo tiempo, dada la cantidad de afloramientos rocosos puntuales existentes. El empleo de una taludera o máquina lateral, que reviste independiente en cada uno de los taludes por separado viene a solucionar los inconvenientes anteriores. Las características del sistema con esta revestidora lateral son: La solera se ejecuta previamente. Reviste por separado ambos taludes. Puede revestir paños independientes separados, lo que la convierte en una máquina ideal para revestimientos previos y sostenimientos. No es máquina de mucho rendimiento. Es máquina versátil que puede ir y venir revistiendo cualquier punto del tramo (se desplaza sobre la solera y sobre la banqueta). Se le da la vuelta con facilidad y reviste el talud opuesto de forma continua o salteada igualmente. Los traslados de la máquina son sencillos.
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Tema 4. Canales
Revestidora lateral del Canal del Trasvase Tajo-Segura. Canal de Riansares
Otro sistema de revestimiento de hormigón en masa se ejecuta en los canales de sección circular. El ingeniero M. Barragán es uno de los máximos especialistas en España en este tipo de revestidoras y refinadoras circulares de las que tiene patente. La misma máquina de extendido puede emplearse en un pre-revestimiento de hormigón pobre o terreno granular adecuado. En terrenos rocosos con sobre-excavación considerable, puede merecer la pena disponer dos máquinas, una de extendido previo con hormigón pobre de zahorra sin clasificar y otro, de hormigón de calidad para la sección teórica.
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Máquina revestidora de sección circular.
Sección típica de canal de sección circular para el Canal de las Dehesas
9.4.1. Trabajos a realizar por la máquina revestidora Las operaciones que realiza una extendedora de hormigón o revestidora son las siguientes: Distribución del hormigón, que se alimenta desde el camino de servicio que va paralelo al canal. Esta distribución en toda la sección se hace mediante cinta o bandejas que se mueven transversalmente a la dirección de avance de la máquina. Extendido del hormigón, adaptándolo a la forma de la sección y manteniendo el espesor especificado.
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Vibrado del hormigón que se consigue adosando unos mecanismos vibrantes al bastidor de la extendedora de forma que la plancha que extiende el hormigón comunica la vibración a la caja que va colocando. Otro sistema usado es con agujas vibrantes que van inmersas en el hormigón. Ejecución de juntas. Las juntas longitudinales las va realizando la misma máquina extendedora mediante unas cuchillas a la vez que avanza. Las revestidoras discontinuas no lo pueden hacer ya que cuando extienden no avanzan, por lo que en canales circulares, típicos de este tipo de extendedoras, solo hay juntas transversales, que coinciden con el ancho de extendido de la máquina. Las juntas transversales las realiza la misma máquina extendedora normalmente con una cuchilla que baja hidráulicamente cortando a la profundidad prefijada.
9.5. Fases de acabado Tras concluir el revestido faltarían las fases siguientes Acabados. Siempre se hacen a mano ya sea sobre la extendedora o sobre un puente de trabajo (Jumbo), es preciso retocar las juntas, cruces de juntas transversales y longitudinales, bordes de extendido y cualquier irregularidad que se presente por falta de material, de vibrado o por defecto en el extendido. Curado. Se suele dar un riego de curado mediante lanza y equipo a presión. En canales pequeños se hace desde el camino de servicio pero en secciones grandes se instala el equipo sobre un puente de trabajo (Jumbo), que avanza detrás de la extendedora. Relleno de juntas. Las juntas se rellenan posteriormente con un mástic o material de sellado adherente que asegure la estanqueidad del canal. Otras actividades. La terminación de camino de servicio, cunetas y demás obras que complementan el canal.
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Lectura recomendada Para el diseño de canales no hay muchos libros con buen contenido. Para dimensionamientos hidráulicos siempre podemos contar con el libro “Hidráulica de los Canales Abiertos” de Ven Te Chow. Una gran publicación de mucha ayuda para diseño y eminentemente práctica es “Small Canal Structures” del US Bureau 1978 que no ha sido superado. Un interesante libro, también muy práctico es el denominado “Canales Hidráulicos. Proyecto, Construcción, Gestión y Modernización” de José Liria Montañés
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