TNELES1. GENERALIDADES

Se usan en estos casos:a) Cuando es necesario pasar agua de un valle a otro.b) Se quiere evitar un canal largo, la pendiente en aumento y reduccin de su seccin.c) Si su pendiente transversal estando elevada y su mala calidad no aseguran su estabilidad en un canal abierto; en este caso estn los tneles que entran y salen de centrales en caverna.

1.1. TIPOS DE TNELES

Pueden trabajar a gravedad o a presin segn si tienen una superficie libre a presin atmosfrica o si llenan toda su seccin.

TNEL A GRAVEDADTNEL A PRESIN

DESCRIPCINSe usan al tener un nivel de agua casi constante a la entrada, o sea en las tomas por derivacin directa.Se usa si la captacin se hace desde un reservorio y su entrada se ubica a no menos de 2 m por debajo del nivel mnimo de agua. Al final del tnel se pone una chimenea de equilibrio.

DIFERENCIASLos tneles a gravedad siguen una alineacin vertical dada por la gradiente calculada y los de presin tienen una alineacin cualquiera con tal de estar debajo de la lnea piezomtrica.

1.1.1. TNELES DE LONGITUD CORTACiertas consideraciones hacen que la alineacin se aparte de la lnea recta del tipo topogrfico, geolgico y econmico: Evitar las zonas de roca meteorizada descompuesta o agrietada o al menos reducir la longitud del tnel que pasa por ellas. Tomar en cuenta el tiempo de construccin y el costo del transporte de materiales excavados.

1.1.2. TNELES DE LONGITUD MUY LARGASEstos factores tienen un gran efecto econmico Conviene seguir una alineacin poligonal, acercando la lnea del tnel a depresiones naturales o quebradas desde las que se pueda construir accesos adicionales llamados ventana para aumentar frentes de trabajo. El aumento en longitud del tnel se compensa con el ahorro por reduccin de costos en transporte y tiempo de construccin.2. DISEO DE SECCINSe hace este diseo circulando un caudal mximo y que resista las presiones.

2.1. CARACTERISTICAS SOBRE LAS SECCIONES Seccin circular es ms conveniente, aunque su construccin sea dificultosa. Las secciones tipo bal son de forma rectangular en parte inferior cubiertas con arco semicircular en parte superior. En la seccin tipo herradura la parte inferior tienen forma de arcos de crculo con radios distintos. Si el radio de las paredes y la solera es igual a dos veces el radio de la bveda, se llamara seccin tipo herradura standard. Las tres secciones pueden inscribirse en un cuadrado.DATO:Para seccin tipo bal las dimensiones interiores no deben ser menores a 1.80 m, para seccin tipo herradura 2.00 m y para seccin tipo circular 2,20 m.

2.2. TIPOS DE SECCIN2.2.1. SECCIN TIPO BAL

r = radio de la bveda.

= ngulo con la horizontal que hace el radio que toca la interseccin de la superficie del agua con la bveda.

d = calado de agua.

t = radio de curvatura igual a 0.25r.2.2.1.1. DISEO HIDRAULICO

a. AREA MOJADA1.02245(b. PERMETRO MOJADO

c. RADIO HIDRAULICO

Reemplazando en la ecuacin de Manning (12 16) tenemos: (7-9)

En el cual:

NOTA: Se obtienen ecuaciones y coeficientes de otras formas de seccin transversal al mismo anlisis; se presentarn tablas Nos. 7-9 y 7-10 y grficos de clculo Nos. 2 y 3 de secciones tipo circular, bal y otros que no se inscriben en un cuadrado. La velocidad de diseo en tneles se da entre 1,5 y 2,5 m/s para caudales constantes, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable. En tneles a presin las velocidades varan entre 2,5 a 4,5 m/s; el revestimiento se realiza generalmente con encofrados metlicos que producen superficies bastante lisas, la rugosidad se toma entre 0,0.13 y 0,015.

TABLA N 7-9: CARACTERSTICAS HIDRAULICAS DE TUNELES TIPO BAUL PARA DISTINTOS CALADOS

TABLA N 7-10: SECCIONES CIRCULARES PARCIALMENTE LLENAS CARACTERSTICAS HIDRAULICOS EN FUNCIN DEL CALADOSECCIN DE TNEL TIPO BALGRFICO N 2

Tratndose de tneles que trabajan a gravedad el calado no debe pasar del 85% de la altura total sin que el franco o sea el espacio de aire sea menor de 40 cm. En algunos casos de tneles pequeos se admiten francos de hasta 30 cm.

EJEMPLO 1Encontrar las dimensiones necesarias de un tnel en forma de bal para un caudal Q = 3 m3/s, con una gradiente de j = 0,0004. El material del tnel es roca y se deben comparar los costos del tnel con y sin revestimiento. GRFICO N 2

(a) Tnel sin revestimiento (n = 0,04)Tenemos de la ecuacin 7-93 = Kq (0,02) Kq = 150Se asume una relacin h/r = 1,70, para la cual de acuerdo a la tabla 7-9 = = 1,43 mLa altura de seguridad es 0,3r = 0,43 > 0,40, o sea que est bien. Se puede comprobar que con otras relaciones de d/r esto no se cumple.Tenemos entonces que el alto y el ancho del tnel debe ser: 2r = 2,86 m. El calado de agua serh = 2.431 m El rea mojadaA =3,2485 x 1,432 = 6,65 m2 La velocidadV = 3/6,65 = 0,45 m/s El rea excavadaAex = 3,5439 x 1,432 = 7,25 m2Poniendo el costo de excavacin en roca a S/. 200/m3, tendramos que calcular el costo por metro lineal y sera de S/. 1450/m.

(b) Tnel revestido (n = 0,015)Tratndose de roca compactada que resiste altas velocidades y no produce filtraciones, aparentemente no hace falta revestimiento. No obstante las asperezas de la roca, muchas veces la reduccin con el coeficiente de rugosidad permite disminuir la seccin tanto que compensa el costo del revestimiento.Asumiendo una relacin h/r = 1,60 tenemos:

= = 1,008 1m

El calado es 1,60 m, o sea que se cumple con la condicin de que la altura de seguridad no debe ser menor de 40 cm. El rea mojada sera 3,07 m2 y la velocidad 0,97 m/s.

Asumiendo un espesor medio de revestimiento de 8 cm de concreto tenemos: rea de excavacin = 3,5439 x 1,082 4,14 m2 - rea interior = 3,5439 x 1 3,54 m2 rea de revestimiento 0.60 m2 Tomando para el revestimiento un precio unitario de S/.600/m3, tendramos el costo metro de tnel: Excavacin= 4,14 x 200 818 + Revestimiento=0,60 x 600 360 TOTAL S/.1178/mRevistiendo el tnel disminuimos su costo, mejoramos su funcionamiento (aumentando la velocidad de 0,45 m/s a 0,97 m/s y naturalmente mejoramos el aspecto.

EJEMPLO 2Calcular la seccin de un tnel que debe llevar un caudal Q = 2,8 m3/s, con una gradiente de i = 0,0012. El tnel tendr un revestimiento de 20 cm de espesor (n =0,015) y la altura de seguridad no debe ser menor de 30 cm.a) Probamos primero con una seccin tipo bal con el alto igual al ancho.

Tanteando en la tabla 7-9 llegamos a este valor de h/r = 1,60.

= =0,545 r =0,796 0,8 m h =1,60 x 0,8 = 1,28 m.

La altura de seguridad (S) cumple:S = 2r h = 1,60 1,28 = 32 cm > 30 cm.

La altura del tnel, es insuficiente de realizar trabajos de excavacin y revestimiento, por lo que se cambiar la seccin a la mnima aceptable.

Tomamos:r = 0,90 m = 0,754 = = 1,61

Interpolando en la tabla 7-9, obtenemos que el valor de:

h/r =1,194 h = 1,194 x 0,9 = 1,08 m

La altura de seguridad sera: S = 1,80 - 1,08 = 0,72 m.

rea de excavacin = 3,5439 x 1,21 4,30 m2 - rea interior = 3,5439 x 0,81 2,87 m2 rea de revestimiento 1,43 m2

b) Probamos con una seccin tipo bal con relacin alto/ancho = 1,5; al igual que el anterior Kq = 81. Del grfico N3 tanteando con distintos valores obtenemos para h/b = 1,25.

= b = 1,29

Alto de tnel 1,5 x 1,29 = 1,94 mCalado 1,25 x 1,29 = 1,61 mFranco 0,33 m

El franco y dimensiones de la construccin son aceptables: rea de excavacin = 1,395 x 1,692 3,98 m2 - rea interior = 1,395 x 1,292 2,32 m2 rea de revestimiento 1,66 m2

Se har el anlisis para determinar cul de las secciones es ms econmica.

EJEMPLO 3Usando datos del segundo tnel del ejemplo 2, Q = 2,8 m3/s, i = 0,0012, calcular los caudales y velocidades correspondientes a distintos calados.Los grficos Nos 2 y 3 permiten el clculo solamente a partir de los arranques del arco y para calados inferiores se tiene simplemente una seccin rectangular. Con la frmula de Manning, siendo: i1/2/n = 0,0346/0,0015 = 2,31

h/bDAPRR2/3VQ

0001,2900000,000

0,20,2680,2461,8260,1860,3300,7620,187

0,40,5360,6912,3620,2930,4421,0210,706

0,60,8041,0372,8980,3580,5041,1641.207

0,81,0721,3833,4340,4030,5461,2611,744

1,01.2901,6643,8700,4300,5701,3172,191

Para la seccin sobre el arranque del arco tenemos que:b = 1,29 mb8/3 = 1,97b2 = 1,664 = = 0,22h/bQA/b2AVh

1,00,4812,191,6641,6641,3171.290

1,10,4522.471,1001,8301,3501,419

1,20,5952,701,1951,9901,3551.548

1,250,6182,801,2402,0631,3571.613

1,30,6382,901,2802,1301,3621,638

1,40,6663,031,3502,2461,3491.806

1,420,6623,041,3602,2631,3431.832

1,440,6673,041,3652,2711,3391.858

1,460,6643,021,3802,2961,3151.883

1,840,6552,981,3852,3051,2932.374

1,500,6222,831,3902,3131,2241.935