trabajo final hidraulica
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ESCUELA ACADMICO
PROFESIONAL DE
INGENIERA CIVIL
ESTRUCTURAS HIDRULICAS
ANLISIS DE LA OBRA DE ARTE:
RPIDA N01 DEL CANAL LATERAL
CHACHAPOYAS
DOCENTE:
M.Sc. Hugo Amado Rojas Rubio
ESTUDIANTES:
Fournier Pais Anal
Jimenez Gonzales Margarita
Olrtegui Morales Samir
Soriano Ipanaqu ngel
Ventura Alva Hernn
CICLO:
X
Nuevo Chimbote, Enero de 2014.
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1
PRESENTACIN
A menudo dentro de las obras hidrulicas principales como los canales, se
presentan situaciones como en el caso del cruce con una va de comunicacin
depender de la importancia de la va de comunicacin como del tamao del canal,
para elegir si es preferible pasar el canal encima de la va o por debajo de ella, en el
primer caso la solucin ser un acueducto, en el segundo caso se optara por un
sifn invertido o un conducto cubierto. Igualmente en el caso de depresiones
naturales ser necesario analizar las diferentes alternativas enunciadas y decidir
por la estructura ms conveniente.
Si la depresin fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podra
no ser factible un acueducto, pero si un sifn invertido. En algunos ser necesario
analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sifn.
Los canales que se disean en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades
de flujo muy altas que superan muchas veces las mximas admisibles para los
materiales que se utilizan frecuentemente en su construccin.
Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar
combinaciones de rampas y escalones, siguiendo las variaciones del terreno.
En el presente trabajo se ilustrar la visita a una obra de arte con esta funcin, una
rpida, el anlisis de su condicin actual y se formular una propuesta de rediseo,
fundamentando en base a conocimientos tcnicos las mejoras planteadas.
El grupo de trabajo
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NDICE
PRESENTACIN ______________________________________________________________________ 02
NDICE ______________________________________________________________________________________ 03
ANLISIS DE LA OBRA DE ARTE ___________________________________________________________________ 04
I. INFORMACIN GENERAL _________________________________________________________________ 04
II. MARCO TERICO _______________________________________________________________________ 07
1. ASPECTOS GENERALES DE UN CANAL _________________________________________________ 07
2. RPIDA ________________________________________________________________________ 11
3. CADA __________________________________________________________________ 23
4. DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS HIDRULICAS ____________________________________ 27
III. IDENTIFICACIN DE UNA OBRA DE ARTE DE UN PROYECTO EN FUNCIONAMIENTO __________________ 38
IV. REDISEO HIDRULICO DE LA OBRA DE ARTE ________________________________________________ 31
V. REDISEOESTRUCTURAL _________________________________________________________________ 31
VI. COMPARACIN ENTRE LA OBRA ACTUAL Y EL REDISEO _______________________________________ 31
VII. PANEL FOTOGRFICO __________________________________________________________________ 32
VIII. CONCLUSIONES ______________________________________________________________________ 39
IX. RECOMENDACIONES ___________________________________________________________________ 39
X. BIBLIOGRAFA _________________________________________________________________________ 39
XI. ANEXOS ______________________________________________________________________________ 40
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3
ANLISIS DE LA OBRA DE ARTE:
RPIDA N01 DEL CANAL LATERAL CHACHAPOYAS
I. INFORMACIN GENERAL:
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVOS GENERALES
Identificar las condiciones hidrulicas de la Rpida N 01 del Canal
Lateral Chachapoyas, y proponer un rediseo en base a los
conocimientos adquiridos sobre obras de arte.
1.2. OBJETIVOS ESPECFICOS
Identificar una obra de arte con sus respectivas caractersticas
hidrulicas.
Proponer un rediseo hidrulico de la obra identificada.
Proponer un rediseo estructural para la obra de arte.
Comparar la eficiencia de diseo entre el diseo actual y el
propuesto.
2. UBICACIN
2.1. Departamento : Ancash
2.2. Provincia : Santa
2.3. Distrito : Chimbote
2.4. Sector : Cascajal Izquierdo
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3. FUENTE:
3.1. Bocatoma : La Huaca
3.2. Ro : Santa
3.3. Canal : Lateral Chachapoyas
4. OBRA DE ARTE EN ESTUDIO:
Rpida N 01 del Canal Lateral Chachapoyas.
5. RECURSOS:
5.1. RECURSOS HUMANOS
Alumnos del curso de Estructuras Hidrulicas del X Ciclo, Escuela
Acadmico Profesional de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional
del Santa.
5.2. RECURSOS MATERIALES
Winchas de 5 m, y 100 m.
Cmaras fotogrficas.
Cuaderno y lapiceros.
Objeto flotante.
Bordn.
Cronmetro.
Nivel de Ingeniero.
6. CLIMA
Su clima es del Tipo Tropical, Clido. La temperatura vara de acuerdo a la
estacin del ao entre 18 y 35.
7. TOPOGRAFA
Posee un relieve Topogrfico plano inclinado.
8. GEOLOGA
Presenta un suelo Orgnico debido a la presencia de abundante Vegetacin.
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II. MARCO TERICO: a
1. ASPECTOS GENERALES DE UN CANAL
Con relacin al tramo del canal en estudio, los aspectos generales a tratar
son los siguientes:
1.1. CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIN
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:
Canal de primer orden.
Llamado tambin canal madre o de derivacin y se le traza siempre con pendiente mnima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.
Canal de segundo orden.
Llamados tambin laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub laterales, el rea de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
Canal de tercer orden.
Llamados tambin sub laterales y nacen de los canales laterales,
el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades
individuales a travs de las tomas del solar, el rea de riego que
sirve un sub lateral se conoce como unidad de rotacin.
De lo anterior de deduce que varias unidades de rotacin
constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego
constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o
codificacin del canal madre o de primer orden.
1.2. SECCIN TPICA DE UN CANAL
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Donde:
T = Ancho superior del canal
b = Plantilla
z = Valor horizontal de la inclinacin del talud
C = Berma del camino, puede ser:
0.5 m para canales de primer orden.
0.75 m para canales de segundo orden.
1.00 m para canales de tercer orden.
V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser segn:
3.00 m para canales de primer orden.
4.00 m para canales de segundo orden.
6.00 m para canales de tercer orden.
H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.
En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos
mrgenes, segn las necesidades del canal, igualmente la capa de
rodadura de 0.10 m a veces no ser necesaria, dependiendo de la
intensidad del trfico.
1.3. RUGOSIDAD
Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo,
vegetacin, irregularidad y trazado del canal, radio hidrulico y obstrucciones
en el canal, generalmente se disea canales en tierra se supone que el canal
est recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el
valor de rugosidad inicialmente asumido difcilmente se conservar con el
tiempo, lo que quiere decir que en la prctica constantemente se har frente a
un continuo cambio de la rugosidad.
La siguiente tabla nos da valores de n estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una
referencia para el diseo:
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1.4 VELOCIDAD Y CAUDAL
PROCEDIMIENTO
La medida de la velocidad del flujo se realiz por medio de una metodologa muy antigua con la ayuda de objetos flotantes; los materiales y el procedimiento se detallan a continuacin.
MATERIALES
1. Wincha de 5m y 100 m. 2. Objetos flotantes de tamaos proporcionales. 3. Cronmetro.
En primer lugar medimos la longitud del tramo de donde se realizar la medida de la velocidad del flujo. La medida de realiz en un tramo comprendido entre dos pontones para facilitar el proceso.
En segundo lugar el grupo se divide en tres subgrupos, el primero y el segundo se colocan en ambos puentes respectivamente (o ambos puntos de anlisis), y el otro encargado de observar el curso de los objetos flotantes usados para el anlisis.
A continuacin el primer subgrupo suelta un objeto flotante dando aviso instantneo al segundo grupo encargado de registrar poner en alerta al segundo grupo dependiendo la cercana del objeto.
El tercer grupo marca el tiempo, y extrae el objeto del canal.
El procedimiento se realiza cinco veces para tener un promedio y una medida con mayor criterio tcnico.
1.5 BORDE LIBRE
Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional
denominada Borde Libre, con objeto de evitar desbordamientos
por mala operacin de compuertas, derrumbes o por olas debido
al viento que pueden poner en peligro la estabilidad del canal.
No existe una norma nica para establecer el valor del borde
libre, pero por lo general vara entre el 5% y el 30% del calado, y
es tanto mayor cuanto mayor es el caudal y la velocidad en el
canal.
En canales pequeos Q 2 m3/s; se recomienda usar:
fb = 0.30 mt
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Para canales mayores Q > 2 m3/s:
Donde: f b = Borde libre en mt v = velocidad del flujo m/seg d= Tirante mt La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente frmula:
Donde: f b = Borde libre en pies C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3/s, y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/s Y= Tirante del canal en pies
1.6 FROUDE
Para evaluar el rgimen de flujo, calculamos el nmero de Froude y comparamos con la unidad:
Flujo Crtico
Flujo Subcrticos Flujo Supercrtico
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1.7 TIRANTES CRTICOS El tirante crtico de, es aquel para el cual la energa especfica es mnima, coincidentemente con este tirante el rgimen lento o subcrtico pasa a rgimen rpido supercrtico. El N de Froude determina la condicin de flujo: N < 1; existe flujo subcrtico N =1; existe flujo crtico N > 1; existe flujo supercrtico Cuando el flujo est prximo a ser crtico, la superficie del agua se hace inestable, produciendo olas. Tirantes crticos para tipo de seccin de canal:
Triangular:
Rectangular:
o
Trapezoidal:
1.8 CALCULO DE LA PENDIENTE
De la ecuacin de Manning despejamos el pendiente S:
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2. RPIDA
Las rpidas se utilizan para unir dos tramos de canal cuyo desnivel
considerable se presenta en una longitud de bastante importancia en
comparacin con el desnivel. Antes de decidir la utilizacin de una de estas
estructuras, conviene realizar un estudio econmico comparativo entre una
rpida y una serie de cadas.
Elementos de una rpida, se muestran en la siguiente figura la cual est
compuesta de:
2.1 PARTES DE UNA RPIDA:
La transicin de entrada, une por un estrechamiento progresivo la seccin del
canal superior con la seccin de control.
Seccin de control, es el punto donde comienza la pendiente fuerte de la
rpida, mantenindose en este punto las condiciones crticas. En la rpida
generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para
mantener el rgimen crtico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el
supercrtico.
Canal de la rpida, es la seccin comprendida entre la seccin de control y el
principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuracin del
terreno una o varias pendientes. Son generalmente de seccin rectangular o
trapezoidal.
Trayectoria, es la curva vertical parablica que une la pendiente ltima de la
rpida con el plano inclinado del principio del colchn amortiguador. Debe
disearse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el
fondo del canal y no se produzcan vacos. Si la trayectoria se calcula con el
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valor de la aceleracin de la gravedad como componente vertical, no habr
presin del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentara,
limitndose as la capacidad de conduccin del canal, por lo que se acostumbra
usar como componente vertical un valor inferior a la aceleracin de la
gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lmina de agua se
adhiera al fondo del canal.
Tanque amortiguador, Colchn disipador o poza de disipacin, es la
depresin de profundidad y longitud suficiente diseada con el objetivo de
absorber parte de la energa cintica generada en la rpida, mediante la
produccin del resalto hidrulico, y contener este resalto hidrulico dentro de
la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria.
Transicin de salida, tiene el objetivo de unir la poza de disipacin con el canal
aguas abajo.
Zona de proteccin, con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra,
se puede revestir con mampostera.
2.2 DISEO DE UNA RPIDA
Procesos:
Clculo utilizando el anlisis del flujo en un perfil longitudinal
con tramos de pendiente fuerte y calculando las curvas de
remanso. Para simplificar clculos puede usar HCANALES.
Procedimiento indicado en este trabajo.
Procedimiento para el diseo de una rpida
a. Diseo del canal, aguas arriba y aguas debajo de la rpida
Utilizar las consideraciones prcticas, o apoyarse del programa H-
Canales.
b. Clculo del ancho de solera en la rpida y el tirante en la seccin
de control
En la seccin de control se presentan las condiciones crticas, para
una seccin rectangular las ecuaciones que se cumplen son las
siguientes:
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Igualando (1) y (2), resulta:
Se puede asumir que Emin = En (energa especfica en el canal), para
inicio de los clculos y realizar la verificacin.
Tambin se puede suponer un ancho de solera en la rpida, calcular
el tirante crtico en la seccin de control y por la ecuacin de la
energa calcular el tirante al inicio de la transicin.
Para que se d en la seccin de control el tirante crtico, al aplicar la
ecuacin de la energa puede requerirse que se produzca una sobre
elevacin del fondo.
Existen frmulas empricas para el clculo del ancho de la rpida, las
cuales son:
De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
Otra frmula emprica:
Por lo general, el ancho de solera con esta ltima frmula, resulta de
mayor dimensin que la obtenida por Dadenkov.
c. Diseo de la transicin de entrada
Para el caso de una transicin recta la ecuacin utilizada es:
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Donde:
T1= Espejo de agua en el canal
T2= b = Ancho de solera en la rpida.
d. Clculo hidrulico en el canal de la rpida
d.1. Clculo de tirantes y distancias
Se pretende calcular los tirantes para los diferentes tramos
(distancias) con respecto a la seccin de control.
Puede usarse:
Cualquier mtodo para el clculo de la curva de
remanso, recomendndose el mtodo de tramos fijos.
Usar el proceso grfico de esta metodologa.
La ecuacin utilizada es la ecuacin de la energa:
E1 + Z = E2 + hf1-2 (3)
La ecuacin (3), se resuelve grficamente conforme se muestra en la
figura (2), siendo:
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Para dibujar la figura (2), es conveniente tabular los clculos, en una
tabla similar a la que se muestra:
Figura 2. Resolucin grfica de la ecuacin
y A R V=Q/A V2/2g E hf E+hf
Nota. En la tabla, el primer valor de y, es el y de la seccin de control
yc, y el y final tiene un valor menor al yn en la rpida.
d.2. Borde Libre
El borde libre en el canal de la rpida se puede obtener utilizando la
frmula emprica:
Para utilizar la frmula es necesario determinar los tirantes de agua
y, y las velocidades existentes en distintos puntos a lo largo de la rpida. Estas se pueden obtener considerando un tirante crtico en la
seccin de control y mediante la aplicacin de la ecuacin de la
energa en tramos sucesivos. Los tirantes obtenidos se deben
considerar perpendiculares al fondo, las velocidades y las longitudes
se miden paralelas a dicha inclinacin, el borde libre se mide normal
al fondo.
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e. Clculo de la profundidad (elevacin) del tanque amortiguador
e.1. Clculo de la curva elevacin (trayectoria de la
rpida) tirante
La curva elevacin (trayectoria de la rpida) tirante es similar a la que se muestra en la figura 3, para su clculo
aplicar ecuacin de Bernoulli despreciando prdidas.
Figura 3. Curva I, elevacin de la trayectoria en la rpida vs
tirante.
Proceso:
1. Calcular la elevacin del gradiente de energa en la
seccin donde se inicia la trayectoria.
2. Calcular los valores para trazar la curva elevacin
(trayectoria de la rpida)-tirante (una muestra grfica
de los clculos se indican en la figura 4), suponer
tirantes menores que y0, calcular E y restar de la
elevacin del gradiente de energa calculado en el paso
1; con los diferentes valores obtenidos se genera la
tabla:
y A V V2/2g E Elevacin gradiente energa E (elevacin trayectoria en
la rpida)
Nota. El primer valor de y, es el correspondiente al tirante
inicial en la trayectoria, y los restantes valores, menores que
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ste, puesto que en la trayectoria, el y decrece al aumentar la
velocidad.
Figura 4. Esquema de clculo de la elevacin de la trayectoria en la rpida.
3. Trazar la curva (I), esta se obtiene ploteando la
elevacin de la trayectoria en la rpida vs tirante.
e.2. Clculo de la curva: elevacin tirante conjugado menor
La curva elevacin-tirante conjugado menor es similar a la
que se muestra en la figura 5, para su clculo realizar el
siguiente proceso:
1. Calcular la elevacin del gradiente de energa en la
seccin del canal despus de la rpida, una muestra grfica
de los clculos se indican en la figura 6.
Figura5. Curva II, elevacin del fondo del colchn amortiguador
vs tirante conjugado menor.
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Figura6. Esquema de clculo de la elevacin del gradiente de
energa despus del resalto.
La elevacin del gradiente de energa despus del resalto se
calcula de la siguiente manera:
2. Elegir y1 y calcular el tirante conjugado mayor del resalto
y2
Para una seccin rectangular la ecuacin es:
Luego calcular:
3. Calcular la elevacin del fondo del colchn amortiguador
de la poza:
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Los resultados se pueden tabular de la siguiente forma:
Y1 Y2 V2 V22/2g E2 Elev. gradiente energa E2 (elevacin del colchn
amortiguador)
4. Trazar curva (II), ploteando la elevacin del colchn
amortiguador vs tirante conjugado menor
e.3. Graficar las curvas (I) y (II) e interceptarlas
(Figura 7)
En el punto de interseccin se obtiene:
Figura 7. Clculo de la elevacin del tanque del colchn amortiguador.
Elevacin del tanque amortiguador
Tirante conjugado menor y1
f. Clculo de la profundidad del colchn amortiguador
La profundidad del colchn amortiguador se calcula de la siguiente
forma:
h = elevacin canal elevacin colchn
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La salida del colchn hacia el canal puede construirse en forma
vertical, si se construye inclinado se recomienda un talud Z=2
g. Clculo de la longitud del colchn
Para calcular la longitud del colchn puede usarse la frmula de
Siechin:
Siendo K = 5 para un canal se seccin rectangular.
h. Clculo de las coordenadas y elevaciones de la trayectoria
parablica
La trayectoria parablica pares (x, y) de la rpida, como se muestra en
la Figura 8, se calcula dando valores horizontales de x y calculando y
con la siguiente ecuacin:
Figura8, Trayectoria parablica
Donde:
y = coordenada vertical (ordenada)
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x = coordenada horizontal (abscisa)
= ngulo formado por la horizontal y el fondo del canal de la rpida (tg = S)
vmx = 1.5 v al principio de la trayectoria con lo cual la
ecuacin se simplifica de la siguiente manera.
Para los clculos se dan valores a x y se calcula y, siendo las
elevaciones:
Lo cual genera la siguiente tabla:
X Y Elevacin
i. Clculo de la transicin de salida
Se realiza de la misma forma que la transicin de entrada.
La simplificacin de los clculos para el diseo de una rpida, para el
mtodo descrito, se puede realizar con los programas en QuickBasic
que se muestran en los listados 1, 2, 3 y 4.
Listado 1, Clculo de la energa especfica
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = rea hidrulica
b = ancho de solera
Z = talud
g = 9.81 (aceleracin de
la gravedad)
L = longitud del tramo
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Listado 2, Clculo elevacin vs tirante en la rpida
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = rea hidrulica
b = ancho de solera
Z = talud
g = 9.81 (aceleracin de
la gravedad)
Listado 3, Clculo elevacin vs tirante en la poza
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = rea hidrulica
b = ancho de solera
Z = talud
Listado 4, Clculo de las coordenadas de la trayectoria parablica
Donde:
y = coordenada vertical
(ordenada)
x = coordenada
horizontal (abscisa)
V = velocidad
A = rea hidrulica
b = ancho de solera
S = pendiente de la
rpida
g = 9.81 (aceleracin de
la gravedad)
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3. CADA
Las cadas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario
efectuar cambios en la rasante del canal, a fin de disipar energa.
Una cada se compone de las siguientes partes:
a. Transicin de entrada (de ser necesario para un cambio de seccin
trapezoidal a rectangular)
b. Cada, la cual es de seccin rectangular, pudiendo ser vertical o inclinada
con pendiente de 1.3: 1 a 1.5: 1.
c. Pozo amortiguador o colchn disipador; es de seccin rectangular y su
funcin es de absorber la energa cintica del agua en el pie de la cada.
d. Transicin de salida.
a. DISEO DE UNA CADA
I. Se construyen cadas verticales, cuando se necesita salvar un
desnivel de 1 m como mximo, slo en casos excepcionales se
construyen para desniveles mayores.
II. SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000
l/sxm de ancho, siempre se debe construir cadas inclinadas,
adems manifiesta que la ejecucin de estas obras debe limitarse a
cadas y caudales pequeos, principalmente en canales secundarios
construidos en mampostera de piedra donde no se necesita ni
obras de sostenimiento ni drenaje.
III. Cuando el desnivel es menor igual 0.30 m y el caudal menor igual
300 l/sxm de ancho de canal, no es necesario poza de disipacin.
IV. El caudal vertiente en el borde superior de la cada se calcula con la
frmula para caudal unitario q.
Siendo el caudal total:
(Formula de Weisbach)
Ancho de cada
V. La cada vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua
que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.
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VI. Por debajo de la lmina vertiente en la cada se produce un
depsito de agua de altura yp que aporta el impulso horizontal
necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.
VII. Rand (1955) citado por ILRI (5) Pg. 209, encontr que la
geometra del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse
con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:
Donde:
Fig.1, Caractersticas De La Cada Vertical
VIII. Al caer la lmina vertiente extrae una continua cantidad de aire de
la cmara indicada en la Fig. 1, el cual se debe reemplazar para
evitar la cavitacin o resonancias sobre toda la estructura.
IX. Para facilitar la aireacin se puede adoptar cualquiera de las
soluciones siguientes:
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a) Contraccin lateral completa en cresta vertiente, disponindose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lmina vertiente.
b) Agujeros de ventilacin, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de ancho de cresta de la cada es igual a:
(
)
Donde: Suministro de aire por metro de ancho de cresta Tirante normal aguas arriba de la cada Mxima descarga unitaria sobre la cada
(
)
Donde: Baja presin permisible debajo de la lmina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04m de columna de agua) Coeficiente de prdida de entrada (Usar Ke=0.5) Coeficiente de friccin en la ecuacin de Darcy-Weishbach
Longitud de la tubera de ventilacin, m.
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Dimetro del agujero de ventilacin, m. Coeficiente de prdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Coeficiente de prdida por salida (Usar Kex=1.0) Velocidad media del flujo de aire a travs de la tubera de ventilacin
Aproximadamente 1/830 para aire a 20C
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4. DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS HIDRULICAS
Para garantizar el xito de un proyecto, ste no debe ser enfocado como la
conjuncin de especialistas que van a realizar los estudios que le son
encomendados en el tema de su dominio, las obras diseadas con este
procedimiento, que no son casos aislados, corren el riesgo de no plasmarse con
xito. Los especialistas, bajo el liderazgo de un Jefe o Gerente de Proyecto, deben
constituirse en un equipo que interacta en bsqueda de la solucin que integre
todas las disciplinas de manera que el resultado sea la solucin ms apropiada
desde el punto de vista de seguridad, funcionalidad, durabilidad, costos, programa
de tiempo de ejecucin, etc, Aunque lo mencionado suene obvio, abundan los casos
en que por diversas razones, los proyectos han sido el resultado de la participacin
aislada de los protagonistas, con lamentables resultados.
La participacin del diseador estructural debe otorgar la seguridad a Ias
construcciones de manera que soporten los esfuerzos a los que estar sometido
como tambin asegurar que la funcionalidad no se vea afectada a travs de la vida
til para la que se dise y que se asegure un razonable comportamiento
impermeable, Las soluciones a plantear deben estar basadas, adems de su propia
especialidad, en el conocimiento de los procesos constructivos, y el estar
plenamente' consciente de las condicionantes del proyecto, incluido la ubicacin
geogrfica, clima, facilidades logsticas y todo aquello que ha de influir en la
adopcin de las formas, materiales, y tcnicas constructivas.
En el presente trabajo se presentan algunas consideraciones propias de un
proyecto estructural de las obras hidrulicas que se debern tener en cuenta para
el diseo, supervisin y construccin de este tipo de obras.
4.1 TIPOS DE OBRAS HIDRULICAS
Dentro de los diversos tipos de obras hidrulicas se pueden mencionar las presas,
canales, sifones, acueductos, reservorios apoyados y elevados, tal como se puede
observar en las figuras.
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4.2 CALIDAD DEL CONCRETO, AGRIETAMIENTO Y JUNTAS
Una de las caractersticas ms importantes de las obras hidrulicas es la calidad
apropiada de los materiales que se usarn, esto muchas veces es ms importante
que la misma capacidad para resistir los esfuerzos a los que estar sometida la
estructura.
De acuerdo a las recomendaciones del Comit 350 del ACI (Environmental
Engineering Concrete Structures), uno de los aspectos ms importantes que debe
cumplir la dosificacin del concreto est relacionado a la mxima relacin
"agua/material cementante (a/c)", que es el mejor indicador para lograr concretos
de buen desempeo. Una manera de lograr esa relacin "a/c" de manera indirecta
es utilizar concretos de resistencia elevada, no porque se requiera, sino ms bien
debido a que al dosificar estos concretos se est garantizando que la relacin "a/c"
sea baja.
Calidad de Concreto
Resistencia del Concreto
Expuesto a condiciones "Severas" fc = 280min.
No expuesto a Condiciones Severas fc = 245min.
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Mxima relacin a/c = 0.45
Exposicin sanitaria "Normal":
- Cuando los lquidos tienen un ph > 5 o est expuesto a solucin de sulfatos
con menos de 1500ppm.
Exposicin sanitaria "Severa":
- Cuando los lmites anteriores se exceden
Con el objeto de "lograr estructuras de concreto con un razonable grado de
impermeabilidad y para garantizar que el acero de refuerzo no tenga
recubrimientos pequeos, es necesario tener presente las siguientes dimensiones
mnimas en los elementos de concreto:
Consideraciones estructurales
Espesores mnimos de muros
- Con h > 3 m. o ms 30cm
- Con h < 3 m. 15cm
Con recubrimiento de 5 cm o ms 20cm
Espaciamiento mx. de refuerzo 30cm
En el Per, gran parte de las obras hidrulicas estn ubicadas en la zona de la
"Sierra", donde el clima puede ser nocivo, en esos casos es recomendable tomar en
consideracin las recomendaciones del Comit 306 del ACI para climas fros. En
general la incorporacin de aire al concreto permitir tener concretos ms
impermeables; esto es especialmente importante para las zonas fras.
Clima Fro (ACI 306)
Clima fro es cuando por ms de 3 das consecutivos:
- El promedio diario de temperatura del aire < 5 C
- En 12 horas al da, la temperatura del aire < 10 C
"El promedio diario de temperatura del aire es el promedio de la mayor y menor
temperaturas que ocurren durante el periodo de media noche a medio da" (Entre
12 pm y 12 m).
En climas fros, la temperatura del concreto en el momento de su colocacin
debe ser:
- Mayor a 13 C si el espesor de los elementos es menor a 30 cm
- Mayor a 10 C si el espesor est entre 30 y 90 cm
- Mayor a 7 C si el espesor est entre 90 y 180 cm
-
30
Colocar "Aire Incorporado"
Tamao del agregado Aire incorporado
1 1/2" 5 1/2 %
1" 3/4" 6%
El concreto es un material muy bueno en cuanto a su capacidad para resistir
esfuerzos de compresin, pero en contraposicin tambin tiene un problema que
ocasiona fuertes dolores de cabeza a los ingenieros, me refiero a que durante el
proceso de endurecimiento se contrae. Las restricciones sean de friccin contra el
suelo o porque otros elementos se lo impiden, no permiten su libre encogimiento
por lo que se generan esfuerzos importantes de traccin que muchas veces
producen agrietamientos, sobre todo cuando el proyectista no evalu las
consecuencias de estos efectos.
Contraccin de fragua del concreto
Basados en cilindros curados 28 das y luego 50 a 60% de humedad.
Las temperaturas elevadas y el proceso constructivo inadecuado pueden producir
agrietamientos. La magnitud de las grietas depender de las causas que las
producen.
Esfuerzos que causan agrietamiento
Tipo
Principales causas
Tiempo de aparicin
Asentamiento plstico
Exceso de exudacin
10 min. 3 horas
Contraccin plstica
Secado rpido
30 min. 6 horas
-
31
El uso de las fibras de polipropileno u otra matriz polmera contribuye a disminuir
el espesor de grietas y fisuras, en las figuras siguientes se puede observar su
efectividad.
Agrietamiento por contraccin plstica del concreto
Permeabilidad del concreto con fibras
Contracciones
trmicas
Excesivo calor y
gradiente de termperatura
1 da 2 3
semanas Contraccn
de fragua Juntas
insuficientes Varias semanas
o meses
-
32
La mejor forma de controlar las fisuras, adems de indicar las dimensiones y
armado en los planos del proyecto, es disear y detallar las juntas adecuadamente;
sin embargo, es frecuente observar que esto no se da y el resultado es negativo, ya
que el pobre manejo del tema por parte del proyectista deja en libertad de accin
al Supervisor o Constructor que si no tienen la experiencia necesaria pueden tomar
decisiones inapropiadas. En algunos casos, esta es la causa de la presencia de
fisuras que afectan el resultado final del proyecto.
Juntas
Juntas de construccin
Juntas de Dilatacin
Se recomienda rompe aguas> 9"
El material selIador debe permitir una deformacin igual a la mitad de la
junta.
-
33
Espesor de Juntas de Dilatacin
Rango de temperatura
Ld = 12 m Ld = 18m Ld = 24m Ld = 30m
Enterrado a 4 C 7/8 1
Parcialmente protegido sobre terreno a 27 C
7/8
1
*
No protegido, como techos y
losas
7/8
1
*
*
Juntas de Contraccin
Para losas sin armar o sub armadas, la separacin recomendada es:
Para h = 10 cm Lc = 3 m
Para h = 12.5 cm Lc = 4 m
Para h = 15 cm Lc = 5 m
4.3 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES
Hasta hace pocos aos, el diseo estructural de los canales de conduccin de agua,
reservorios y otras obras hidrulicas era efectuado por el mtodo de esfuerzos
permisibles porque se consideraba que el "mtodo de rotura" [cuyo nombre
preocupaba a los no entendidos en el diseo estructural, razn por la cual se
cambi por el denominado "cargas factorizadas" o como se le conoce en sus siglas
en Ingls LRFD (Load & Resistance Factor Design)] no ofreca el grado de
impermeabilidad suficiente a este tipo de obras; sin embargo los factores de carga
fue. ron "calibrados" para controlar el ancho de grieta a 0.2 mm para estructuras
sometidas a severas condiciones de exposicin y de 0.25 mm para otras
estructuras hidrulicas (para edificios se permite 0.4 mm para obras exteriores y
0.3 mm para obras interiores). Esto se logra con la incorporacin de un
"coeficiente de durabilidad sanitario" que se multiplica por los factores
tradicionales de "carga ltima".
-
34
Diseo por cargas factorizadas
U = 1.7 H por empuje de suelos
U = 1.7 F por presin de lquidos
U = 1.4 D + 1.7 L carga muerta y viva
Multiplicar "U" por un "coeficiente de durabilidad sanitario":
- Para refuerzo en flexin 1.30 U
- Para traccin directa 1.65 U
- Para para traccin diagonal 1.30 U
- Zonas de compresin 1.00 U
Diseo por esfuerzos de trabajo
Concreto:
n=Es/Ec
fc = 0.45 f'c
Esfuerzos mximos recomendados Traccin 1,400 kg/cm2 Flexin (3/8", 1/2" y
5/8")
- Para exposicin severa 1,550 kg/cm2
- Para exposicin normal 1,900 kg/cm2
La cuanta mnima por contraccin y temperatura est vinculada al concepto del
refuerzo requerido para controlar la fisuracin producida por las fuerzas que se
originan por el efecto de contraccin de fragua aunado al hecho que el terreno
presenta una restriccin al libre encogimiento del concreto, por tal motivo esta
cuanta depender de cun grande es el elemento sin juntas, tal como se puede
observar en la siguiente figura.
Cuanta mnima por contraccin y temperatura
Cuando los elementos son gruesos, como el caso de las pequeas presas, este
concepto se aplica a una capa superficial de 30 cm de espesor, que acta como una
-
35
"piel reforzada" que confina a un ncleo de concreto sin armar. Si el refuerzo se
encuentra en una cara en contacto permanente con el terreno los valores pueden
reducir a la mitad.
Cuanta mnima en secciones gruesas de 60cm o ms
50% del refuerzo en la "cara inferior" de losas en contacto con el terreno
Para el diseo se consideran las cargas que ocurren en un estado inicial de
servicio; pero a la vez, se debe prever las situaciones de servicio que en algunos
casos cambian las situaciones de trabajo. Para el diseo, adems del efecto de las
presiones se debe considerar los efectos de cavitacin y erosin que pueden sufrir
los elementos por las partculas en suspensin en el agua, es por esa razn que
algunas estructuras debern ser "forradas superficialmente" con bloques de piedra
o planchas metlicas, como es usual en el caso del diseo de los "disipadores de
energa".
Situaciones de diseo
Disipadores de energa
-
36
Red de Flujo
Fuerzas sobre una pantalla
Ilustracin de las fuerzas que obran en una presa.
Para el diseo del refuerzo longitudinal de las estructuras tipo canales de agua,
losas y otras estructuras apoyadas, cuando se hacen juntas muy espaciadas, se
debe evaluar la fuerza de traccin que se produce cuando se trata de contraer el
concreto y el terreno ofrece resistencia. Mientras que para verificar que no se
produzca deslizamiento entre el muro de contencin y el terreno se utiliza los
valores mnimos de coeficientes de friccin, para el diseo del refuerzo
longitudinal de las estructuras hidrulicas se toman los valores mximos, que en
algunos casos llegan hasta "3".
-
37
El refuerzo calculado de esta manera para elementos de concreto con espesores
menores a 60 cm sale muy parecidos a los obtenidos por "cuanta mnima".
Refuerzo para tomar las contracciones del concreto
Coeficiente de friccin ()
-
38
III. IDENTIFICACIN DE UNA OBRA DE ARTE DE UN
PROYECTO EN FUNCIONAMIENTO
1. OBRA DE ARTE N 01: TOMA LATERAL CON DADOS ROMPE PRESIN.
La Obra de Arte N 01 pertenece al Canal Cascajal-Nepea-Casma-Sechin,
aproximadamente en la progresiva 10+382, consta de una toma lateral y
dados rompe presin.
Se apreci que la construccin de la estructura no se realiz en su totalidad,
encontrndose sta en total abandono, con presencia de acumulacin de
sedimentos, malezas, etc.
Por ende, el caudal que ingresa no es controlado debido a la inexistencia de
compuertas radiales.
La toma lateral con dados rompe presin no se encuentra en
funcionamiento.
-
39
2. OBRA DE ARTE N 02: CADAS.
La Obra de Arte N 02 pertenece al Canal Lateral Chachapoyas, consta de 07
cadas verticales.
Estas estructuras de arte presentan buenas condiciones, y se ubican al lado de
la trocha que conduce a Cascajal.
3. OBRA DE ARTE N 03: RPIDA.
La Obra de Arte N 03 pertenece al Canal Lateral Chachapoyas, consta de una
rpida y poza disipadora. Ubicadas al ingreso del pueblo de Chachapoyas. El
canal presenta un caudal de 1.32m3/seg, y seccin rectangular.
-
40
4. DESCRIPCIN DE LA OBRA DE ARTE ESCOGIDA
La obra de arte escogida es la RPIDA (nica) perteneciente al Canal
Lateral Chachapoyas, este canal posee una longitud de 2,323 metros
lineales, abasteciendo a 57.20 has con un volumen de 1300950.00 (m3 por
ao).
El canal lateral Chachapoyas presenta en su estructura un concreto simple
fc = 175 kg/cm2, al igual que la rpida, de resistencia de fc = 175 kg/cm2, adems 5 puentes vehiculares de concreto armado de resistencia fc=210
Kg/cm2, 7 tomas parcelarias, 5 entregas de desage, 1 entrega lateral, y 1200
m. de juntas de dilatacin.
La rpida se encuentra a continuacin de un puente de concreto, y antes de
una curva dentro del canal, adems a una distancia aproximada de un metro
se encuentra una toma lateral, que para hacer clculos con mayor precisin
se cerr sta temporalmente.
5. DATOS DE LA OBRA DE ARTE ACTUAL
La estructura de arte escogida pertenece al Canal Lateral Chachapoyas,
cuyas caractersticas hidrulicas son:
Parmetros Valor
Tirante normal 0.20 m.
Espejo de agua 2.65 m.
-
41
Ancho de solera 2.65 m.
rea mojada 0.53 m2
Rugosidad 0.0148
Borde libre 0.86 m.
Velocidad (m/s) 2.49 m/s
Caudal (m3/s) 1.32 m3/s
Talud 0
Pendiente 1.40%
N de Froude 1.78
Tipo de flujo supercrtico
Permetro mojado 3.05 m.
Radio hidrulico 0.17 m.
Energa especfica 0.52
Seccin Transversal del Canal Lateral Chachapoyas:
La estructura de arte-RPIDA, tiene las siguientes caractersticas
hidrulicas:
Parmetros Valor
Espejo de agua 3.20 - 3.00 m.
Ancho de solera 3.20 - 3.00 m.
Longitud Horizontal 21.60 m.
Longitud Inclinada 21.67 m.
Pendiente promedio 8.10%
Rugosidad 0.010
Talud 0
-
42
IV. REDISEO HIDRAULICO DE LA OBRA DE ARTE
-
43
V. REDISEO ESTRUCTURAL
-
44
VI. COMPARACION ENTRE LA OBRA ACTUAL Y EL REDISEO
-
45
VII. PANEL FOTOGRFICO
FOTO 01: Vista del canal aguas arriba de la rpida, de ancho 3.10 m y
revestido de concreto.
FOTO 02: Vista de la rpida, de ancho 3.20m al inicio de la rpida y ancho
3.00m al final de la rpida.
-
46
FOTO 03: Vista de la parte final de la rpida y el colchn amortiguador.
FOTO 04: Vista del canal aguas arriba de la rpida y el inicio de la rpida.
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47
FOTO 05: Medicin del tirante en el canal aguas arriba de la rpida.
FOTO 06: Medicin del tirante y borde libre en el canal aguas arriba de la
rpida.
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48
FOTO 07: Medicin del ancho al inicio de la rpida.
FOTO 08: Medicin del ancho a lo largo del tramo de la rpida.
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49
FOTO 09: Medicin de la velocidad del caudal, aguas arribas de la rpida.
FOTO 10: Medicin de la pendiente de la rpida.
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50
FOTO 11: Medicin de la pendiente de la rpida.
FOTO 12: Observamos una parte de las paredes de la rpida deteriorados,
con agrietamiento severo, ocasionado posiblemente por la presencia de
vegetacin o por la mala calidad del concreto en esa seccin.
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51
FOTO 14: Equipo de trabajo.
FOTO 13: Se aprecia la inadecuada separacin de la junta de dilatacin
entre paos de las paredes de la rpida.
-
52
VIII. CONCLUSIONES
8.1 Conclusin General
Logramos identificar las condiciones hidrulicas de la Rpida N 01
del Canal Lateral Chachapoyas, observando en campo un flujo
supercrtico aguas arriba de la rpida para ello en el rediseo de la
obra de arte evaluada se propuso la puesta de una cada a 29m
aguas arriba desde el inicio de la rpida seguido de un canal cuya
pendiente propuesta es de 0.2% lo cual nos permite obtener un flujo
subcrtico aguas arriba de la rpida, en la rpida por cuestiones de
replanteo del canal aguas arriba se cambi la pendiente inicial de 8%
(medido en campo) a 6.6%, aguas abajo de la rpida se propuso las
mismas caractersticas hidrulicas del canal rediseado aguas arriba.
8.2 Conclusiones Especficas
Identificamos todos los datos hidrulicos del canal ubicado aguas
arriba de la rpida, en la rpida no se pudo medir los tirantes
debido a la alta velocidad del agua presente en ella, aguas abajo
solo identificamos ancho y talud del canal.
Se realiz el rediseo hidrulico de la rpida N01 y sus canales a
las cuales enlaza obteniendo un flujo subcrtico antes y despus
de ella para evitar daos en estos canales, as mismo se dise
una cada vertical sin obstculos de desnivel 0.40m para disipar
la energa del agua y obtener el flujo subcrtico aguas arriba.
En el rediseo hidrulico de la rpida N01 se obtuvo un ancho
de pared de rpida igual al estado original de la ella.
Comparando hidrulicamente la rpidaN01 con su rediseo se
obtiene que el tirante critico al inicio de la rpida es menor en el
rediseo por lo tanto el borde libre disminuir ya que depende
de que tan elevado sea el tirante en la rpida, por otra parte se
presenta en el rediseo mayor velocidad debido a que los
tirantes son menores al inicial. En cuanto a la comparacin
estructural de la rpida nos limita debido a falta de informacin
de expedientes tcnicos de la zona.
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53
IX. RECOMENDACIONES
Evitar flujo supercrtico aguas arriba de la rpida pues al pasar el
agua a una velocidad mayor a la recomendada produce erosin
en el canal.
En el diseo de canales, rpidas, cadas entre otras obras
hidrulicas se recomienda seguir la topografa del terreno para
evitar costos mayores.
En el caso que la longitud de la poza amortiguadora sea mucho
mayor se recomienda poner dados de concreto los cuales
absorben la energa del agua al golpear estas en ellos dando por
consiguiente un menor tamao de resalto hidrulico.
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54
X. BIBLIOGRAFIA
Libro: Hidrulica de canales Abiertos - Ven Te Chow.
Manual: Criterios de Diseos de Obras Hidrulicas para la formulacin
de Proyectos Hidrulicos Multisectoriales y de Afianzamiento Hdrico
ANA (AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA).
TESIS, DISEO HIDRULICO DE UN RPIDA PARA EL PROYECTO:
Construccin del canal principal de Fortaleza, distrito Congas, provincia
Ocros, Regin Ancash. Autor: Julio Palomino Bendezu.
Libro: DISEO DE ESTRUCTURAS HIDRULICAS. Mximo Villn Bejar.
XI. ANEXOS
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ANEXO
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