Clase 05 conductos a superficie libre obras hidraulicas

CONDUCTOS A SUPERFICIE CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELIBRE

55°° claseclase

Ing. Alejandro Zapata

[email protected]

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENERIA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL



2.7 Canales de fuerte pendienteComo señalamos, al referirnos a los tirantes críticos, el Numero de Froude, define dos zonas de escurrimiento diferentes en los canales, una zona de régimen lento, en el cual el tirante normal es mayor, que el tirante crítico y otra zona de régimen rápido en el cual el tirante es menor, que el tirante crítico.

Los canales de régimen rápido, que tienen pendientes mayores a la crítica, se llaman también de fuerte pendiente; están caracterizados por la aireación espontánea de la corriente, que transforma parcial o totalmente el agua en una mezcla de agua y aire y en algunas condiciones con la aparición algunas veces de un tren de ondas u oleaje en el flujo.

Estas corrientes se denominan "Corrientes Rápidas” tienen características diferentes a los regímenes lentos.

2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE



2.7 Canales de fuerte pendiente…Las características de sus movimientos difieren de aquellas corrientes lentas y veloces, que discurren en canales de pequeña pendiente y su determinación ha sido objeto de estudios teóricos y en modelos.

El motivo de la experimentación ha sido para definir la distribución de aire en la sección liquida, su influencia sobre la resistencia del movimiento, la velocidad de la corriente y las leyes que regulan el origen de los trenes de onda.

Es muy difícil efectuar investigaciones experimentales en los prototipos, es decir canales de fuerte pendiente, principalmente por la enorme energía que tienen los regímenes y las velocidades altas que se producen.




2.7 Canales de fuerte pendiente…Se puede mencionar que un flujo no estable o pulsátil puede producirse en rápidas largas, con fuerte pendiente (mayores de 60 metros).

La máxima altura de onda que puede esperarse en un flujo con aire puede ser dos veces el tirante normal. En algunos casos se producen ondas cruzadas causadas por transiciones abruptas o en curvas.

2.7.1 Calculo del Caudal y TiranteEn los regimenes de rápida, para calcular el caudal y el tirante, previamente debe calcularse el caudal adicional de la mezcla de agua aire y adecuar el tirante de la sección a estas condiciones.




2.7.1 Calculo del Caudal y Tirante…Para calcular la incorporación de aire en canales de fuerte pendiente se emplea la formula de Douma siguiente:

Donde:C = Concentración de aire en %F = Número de Froude

El tirante modificado por la entrada de aire, lo dedujo Rao Kobus y se expresa:

Considerando valores entre 0.25 < C < 0.75


110

da = [1 - 1.3 (C - 0.25)2] dn



2.7.1 Calculo del Caudal y Tirante…El gasto de la mezcla agua-aire se puede calcular con la formula:

Donde:Q = Gasto máximo de la mezcla agua-aire en m3/s por m de ancho de superficie libreσ = Coeficiente (0.0002 para paredes lisas y 0.0035 para paredes rugosas)V = Valor máximo de la velocidad en m/sU = Velocidad media en m/s

Se debe cumplir también las condiciones siguientes:V/U = 1.1 para paredes lisasV/U = 1.3 para paredes medias




2.7.1 Calculo del Caudal y Tirante…Una vez determinado el Gasto máximo de la mezcla agua-aire, por unidad de ancho del espejo de agua, se multiplica por B (ancho de la superficie libre del agua) y se agrega el gasto de la sección puramente hídrica.

Luego se puede calcular la velocidad media de la sección, teniendo en cuenta la sección efectiva de la sección. Con la velocidad calculada se puede determinar el volumen de aire.




2.7.2 Cantidad de aire para evitar depresiones

En cualquier galería inclinada la corriente líquida se mueve en forma similar al de un canal pero la aspiración de aire depende del arrastre que la superficie de agua fuertemente agitada ejerza por efecto de la pendiente sobre el aire que se encuentra encima del flujo de agua.

Partiendo del concepto de la distribución vertical de las velocidades establecióla siguiente ecuación:


Donde:

V = Velocidad a una distancia “y” de la pared

VW= Velocidad del aire

ح = Coeficiente de viscosidad dinámica

K = Rugosidad vertical de la superficie en contacto con el aire

Ƿ = Masa específica



2.7.2 Cantidad de aire para evitar depresiones…

Para obtener la demanda de aire en una galería se tiene que: qn = K VW Aq

Siendo:

Donde: Ya es la distancia entre la superficie del agua y el techo del conducto.

En el caso de una rápida para evitar que el canal absorba cantidades apreciables de aire, que puedan afectar el flujo se instala un tramo en tubos para eliminar aire.




2.7.3 Trenes de ondas en los canales de fuerte pendienteEl problema de la formación de oleaje o trenes de onda en los canales de fuerte pendiente. puede no preocupar en un conducto cerrado. sin embargo puede producir Inconvenientes en las obras de aguas abajo, como en la poza de disipación y en el primer tramo de túnel o en el canal situado aguas abajo.

Fedorov ha logrado determinar a base de experimentos que la relación tirante radio medio hidráulico, puede evidenciar la posibilidad de formación de trenes de onda cuando:

d/R > 1.4 No hay posibilidad de producción de trenes de onda.d/R < 1.4 La superficie de agua puede tener o no tener trenes de onda.

Vedernikov y Montuori establecieron dos numeras que se los conoce con el nombre de los autores.




2.7.3 Trenes de ondas en los canales de fuerte pendienteNumero de Vedernikov: Numero de Montuori:

Donde:V = Numero de Vedernikovb = Ancho del fondoV = Velocidadd = Tirante mediog = Aceleración de la gravedad 9.81 m2/s= Angulo de inclinación de la línea de gradienteM = Numero de MontuoriS = Pendiente media de la línea de gradienteL = Longitud del tramo por considerar




2.7.3 Trenes de ondas en los canales de fuerte pendientePara que no se produzcan trenes de onda, el numero de Vedernikov debe ser menor a 1. Mientras el valor mínimo del numero de Montuori debe ser como mínimo 0.20.

La importancia del numero de Vedernikov es que confirma la formación de trenes de onda para valores V>1, debido al crecimiento de ondas pequeñísimas, que se generan en la misma corriente. Verificando con ambos números se podrá evidenciar la posibilidad de formación de trenes de onda.




2.9 Pérdidas de agua por Filtración en CanalesLas filtraciones dependen principalmente de la clase de terreno que recorre el canal pero también es función del tirante y de la sección del canal para lo cual es conveniente a fin de evitar mayores pérdidas diseñar con la sección de mínima Infiltración.

En todos los sistemas de conducción de agua se producen pérdidas además de las infiltraciones. debidas principalmente a la evaporación del agua en la superficie libre de los canales debido a la temperatura del ambiente. el viento. y el clima de la zona donde discurren.

También se debe a defectos en las empaquetaduras de las compuertas instaladas en los sistemas de reparto de aguas y de la vegetación en los bordes de los cauces naturales y artificiales.




2.9 Pérdidas de agua por Filtración en CanalesEs conveniente Indicar que las filtraciones provenientes de canales altos pueden originar retornes de agua en niveles Inferiores y en algunos casos producir anegamientos de áreas bajas el retorno de aguas puede alcanzar de un 20 a un 25 % de las masas distribuidas.

Las pérdidas por filtración dependen de la clase de suelos. siendo mayores en suelos permeables y menores en los suelos semipermeables e Impermeables, tal como se presenta en el cuadro siguiente:



2.9.1 Factores que influyen en las perdidas por filtraciónLos principales factores que influyen en las pérdidas por filtración son:

• La textura del suelo: los materiales fines de! prisma del canal reducen las pérdidas por filtración, mientras son mayores en los materiales gruesos.

• Relación de dimensiones del canal: las pérdidas son proporcionales al tirante y aumentan cuando es mayor el área mojada.

• Posición del nivel freático: cuando es mayor el desnivel entre el nivel de agua del canal y el nivel freático de la zona que atraviesa el canal se Incrementan las pérdidas.

En resumen las pérdidas de agua por filtración en un canal no revestido de-penden de la naturaleza y porosidad del terreno que forma el prisma del ca-nal como de la temperatura del agua que discurre en el canal, dado que laviscosidad del agua varia con la variación de la temperatura, así mismodepende también de la turbidez del agua.



2.9.2 Sección mínima de filtraciónLa filtración depende principalmente de la clase de terreno por el cual discurre

el canal pero es función también de! tirante de agua.

Si suponemos que “In”, es la Intensidad de filtración en un punto del perímetro mojado.

En el fondo será: In= k · d1/2

Considerando un ancho unitario de la sección del canal se tiene que la cantidad de agua que se filtra es: Q = qf + 2 qp (1)

qf = f · k · d1/2 (2)qp = 2/3 · k · d3/2 + [(1+z2)1/2] (3)f = [A- z · d2]/d (4)

Donde:Q = Gasto de filtraciónqf = Gasto en el fondoqp = Gasto en cada paredk = Constante de permeabilidad o proporcional



2.9.2 Sección mínima de filtraciónReemplazando la expresiones anteriores en (1) se tiene:

Por tanto : A = 4 d2 √ (1+z2) – z y sustituyendo A en función de f y d:

Se tiene: f = 4 d [√ (1+z2) – z ]

La relación de minima infiltración para taludes diferentes se presenta en el cuadro siguiente.



2.9.2 Sección mínima de filtración



2.9.3 Método de E.A. Moritz para calcular las perdidas por filtración

E.A. Moritz ha establecido el caudal de pérdidas de agua con la expresión siguiente: P = 0.0375 · C · (Q/v)0.5

Donde:P = Pérdida de agua por filtración en m3/s por km de recorridoQ = Gasto en m3/sV = Velocidad en m/sC = Coeficiente que depende del material del canal o del revestimiento que tenga m3/m2



2.9.4 Pérdidas por Evaporación y Otras.

Las pérdidas por evaporación dependen del clima del lugar y se pueden determinar a partir de la evaporación registrada en forma diaria o mensual en

Evaporímetros.

Las pérdidas por evaporación son de poca Importancia en relación a las pérdidas por percolación, se estima que oscilan entre 2 a 5 % y pueden llegar a un 10 % de las pérdidas por percolación.

Otras pérdidas son las que se producen en las compuertas. por falla de los sellos pueden llegar a 0.3 I/s por metro lineal.



2.10 Revestimientos empleados en Canales2.10.1 GeneralidadesLos valores altos de la percolación. en algunos suelos de la caja de los canales. originan pérdidas de agua apreciables. por lo cual es necesario revestirlos.

En otros casos la estabilidad de los canales se ve afectada por la erosión, que puede originarse por la velocidad del flujo lo que obliga a revestirlos.

Igualmente se las filtraciones producen aguas de retorno abundantes y éstas pueden perjudicar a terceros. es posible que convenga que tenganrevestimiento.



2.10.2 Principales tipos de Revestimientos de CanalesLos revestimientos de canales pueden ser fabricados de diferentes materiales. unos son vaciados directamente In situ y otros son prefabricados, los más empleados en el Perú son:

- Revestimiento de piedra emboquillada y canteada- Revestimiento de concreto- Revestimiento de Fibrocemento- Revestimiento de Gunita (shotcrete)- Revestimiento de Concreto asfáltico- Revestimiento de Suelos cemento y Bentonita- Revestimiento de tierra- Revestimientos prefabricados



2.10.2.1 Revestimiento de Piedra Emboquillada y CanteadaEste revestimiento es muy utilizado en el Perú. en sus formas de piedra canteada, labrada y sin labrar. Últimamente se viene empleando menos por elalto costo de la mano de obra.

El proceso se Inicia con la ubicación de una ó más canteras de rocas apropiadas cercanas al trazo del canal, luego se extraen las rocas mediante voladuras y se las transporta en bloques a Inmediaciones del trazo. donde los canteros le dan forma. El trabajo del cantero es muy laborioso. Dependiendo del acabado que hay de darle a la piedra. deberá usar cinceles y martellinas si fuere necesario.

En otros casos para reducir costos sólo se escogen las piedras y en otros se mejoran los cantos y reducen las protuberancias para su colocación.

El asentado de las piedras se efectúa a mano. utilizando regletas de madera para el control de los paramentos. y se juntan los bloques de piedra con morteros de cemento arena en proporción 1:5.



2.10.2.1 Revestimiento de Piedra Emboquillada y CanteadaLa ventaja de estos revestimientos es su bajo coeficiente de dilatación. que permite suprimir las juntas.

En el canal de desagüe de la C. H. Machupicchu, se ha diseñado un revestimiento de piedra emboquillada. sin mezclas para que sea flexible a posibles asentamientos del prisma del canal. su inconveniente ha sido el crecimiento de plantas que dañan el revestimiento.



2.10.2.2 Revestimiento de ConcretoLos revestimientos de concreto son los más utilizados y se emplean principalmente como concreto 'simple en proporciones aproximadamente de 1 parte de cemento, 2 de arena y 4 de piedra con resistencias f'c de 175 y 210 kg/cm2 vaciados directamente sobre el fondo y los taludes del canal.

Se le emplea menos corno concreto armado con refuerzo de armadura de fierro corrugado de 1/4 y 3/8"; en porcentajes que no pasan del 5 %, su alto costo permite su empleo sólo en zonas muy localizadas.

El concreto también se emplea en la modalidad de prefabricado cuando es posible la instalación de plantas para la preparación de las formas del canal completas o en bloques.

La generalidad de las veces el concreto se emplea como concreto simple, con espesores de losa que pueden variar de 5 a 15 centímetros, vaciando las mezclas preparadas en el bode del canal mediante mezcladoras que se mueven sobre rieles.



2.10.2.2 Revestimiento de ConcretoComo la velocidad de los equipos de mezclado y llenado del concreto es muy alta, (1 a 2 km diarios) se requiere una buena logística para distribuir el cemento, agua y agregados en las proximidades del trazo del canal. Estos revestimientos son mas resistentes a la fisuración, como a la erosión por roce de los sedimentos y se estima su vida útil entre 40 y 50 años.

Como son vulnerables a los cambios de temperatura deben efectuarse Juntas de dilatación y construcción cada 6 a 10 metros. dependiendo del espesor, las juntas se rellenan con mortero de cemento o mejor con asfalto caliente.

Debido a filtraciones en terrenos altos y vecinos al canal puede haber la posibilidad de presiones del flujo peligrosas, por lo que para evitar estos efectos se diseñan drenes longitudinales.



2.10.2.2 Revestimiento de ConcretoAntes de proceder a revestir el canal se debe efectuar estudios de los suelos de la caja del canal. para evitar arcillas expansivas o suelos salinos o suelos de arenas finas y limos que pueden ser colapsables. En el caso de vaciar el concreto en zonas frías se los debe proteger de las heladas.

La ventaja en general de estos revestimientos es que el flujo puede tener mayores velocidades y disminuir la sección por consecuencia.



2.10.2.3 Revestimientos de Fibro-Cemento

En canales secundarios es posible la fabricación de revestimientos prefabricados, mediante planchas de fibro cemento tipo Eternit, que son elementos de fácil transporte y muy resistentes.

Se pueden Instalar directamente en el terreno con una ligera preparación en la zona del recorrido del canal, para unir las planchas se emplean morteros decemento arena en proporción 1:5. se pueden fabricar secciones transversales de formas semicirculares y trapezoidales.



2.10.2.4 Revestimientos de Gunita (Shotcrete)

Es un mortero de cemento y arena aplicado neumáticamente. y para una mayor resistencia se lo refuerza con malla de alambre.

Su poco espesor y alto contenido de cemento lo hacen muy susceptible a agrietarse.

Se lo utiliza también para estabilizar secciones Inestables de túneles que norequieren revestimientos. en canales secundarios y para estabilizar fallas o hendiduras de túneles. Es utilizado en la minería y estabilización de taludes.



2.10.2.5 Revestimentos de Concreto Asfáltico.

El concreto asfáltico puede colocarse para revestimientos vaciados en caliente, en forma similar a los pavimentos de concreto usando formas deslizables.

Se usa igualmente en forma de planchas que se unen mediante mortero asfáltico. La compactación debe ser muy uniforme y llegar a un 92 %.

El espesor del revestimiento varía de 5 a 10 centímetros dependiendo de lasdimensiones del canal.



2.10.2.6 Revestimientos de Suelo Cemento y Bentonita

El suelo cemento se emplea cuando se dispone de suelos arenosos adecuados y no existen materiales gravosos en la cantera por emplear.

La proporción de cemento puede variar entre un 8 y 12 % del volumen y se compacta con una humedad superior a la óptima. Puede emplearse para canales con taludes entre 1:1 a 3:l.

El revestimiento con arcilla tipo Bentonita. no es muy generalizado y requierela ejecución de pruebas de campo y laboratorio antes de su empleo.

Es conveniente efectuar estudios de costo, tanto del revestimiento como desu conservación y mantenimiento.



2.10.2.3 Revestimientos de Tierra

Estos revestimientos tienen un bajo costo cuando se dispone de materiales apropiados y cuando mediante tratamientos al revestimiento se puede controlar la Infiltración.

Se utilizan en dos variedades. una delgada entre espesores de 15 a 30 centímetros y las gruesas con espesores entre 30 y 60 centímetros. En el primer caso el material controlado por las pruebas de mecánica de suelos se coloca sobre una capa arcillosa y se las compacta directamente sobre los taludes; en el segundo caso se emplean aditivos para estabilizar y disminuir las pérdidas por Infiltración.

La desventaja es que los revestimientos de tierra se erosionan fácilmente conlas lluvias y con la velocidad del flujo.



2.10.2.7 Revestimientos prefabricados

Desde hace algunos años se vienen utilizando diversos materiales como revestimientos prefabricados para canales, tanto en la modalidad de sección completa, como en planchas de diferentes dimensiones. que luego se Juntan.

Entre los diversos materiales podemos citar los siguientes:-Concreto en secciones completas y en planchas que luego se juntan con morteros de cemento.-Material plástico y hule sintético (Geomembrana).-Planchas de fibra cemento Eternit.

La prefabricación permite preparar las planchas y secciones en serie y emplear Igualmente concreto pretensado. En el caso de prefabricación se prefiere los canales de sección semicircular por su fácil manipuleo, transporte y colocación.



2.10.3 Aspectos a considerar para decidir por el revestimentoLa decisión de revestir o no los canales debe ser responsabilidad del diseñador y en algunos casos de los encargados de la operación y mantenimiento del canal.

El análisis es similar al empleado en el método de beneficio costo de un proyecto.

Las principales ventajas de los revestimientos son:

- Menor pérdida de agua .- Mejoramiento de las características hidráulicas- Reducción de costo de drenaje- Reducción de costo de operación y mantenimiento- Protección de taludes en épocas de lluv1a- Menor sección de corte y volumen de excavaciones y- Permite mayores pendientes de los taludes.



2.10.3 Aspectos a considerar para decidir por el revestimentoPara decidir en relación de la oportunidad de revestir se deben tener en cuenta los costos e operación y reparación de los sistemas de distribución y los costos similares de las obras de conducción.

Con la información anterior se calcula el factor de recuperación del capital en base a la inversión adicional a efectuar como consecuencia de la decisión de revestir el canal.

La fórmula es la siguiente:

Donde:F = Factor de recuperación de capitalP = Costo de la Inversión t-I = Interés anualn = Numero de años de vida útil. estimada de 40 a 50 años



2.10.3 Aspectos a considerar para decidir por el revestimento

El factor de recuperación de capital o equivalente anual de inversión se debe comparar con los beneficios siguientes:

- agua ahorrada que se aplicará a otros terrenos- volumen de agua menor de riego en el predio y- agua ahorrada utilizada para otros fines.

En el caso de los túneles los revestimientos se efectúan para mejorar su estabilidad y mejorar su Impermeabilidad cuando hay roca fracturada 6 hay fallas en el recorrido.

El vaciado de las paredes se efectúa con encofrados deslizantes, utilizandomezcladoras y mangueras especialmente diseñadas.

Generalmente los revestimientos son de concreto armado y de concreto simple, pero también se emplea gunita, es decir mezcla de cemento rociado.



Temas para el control de Lectura 03:

1. ¿Qué aspectos hay que tomar en cuenta para el trazo de un canal?

2. ¿A que escala topografica se debe levantar el area donde se emplaza una bocatoma?

3. ¿Qué significa un levantamiento de 1/500, 1/1000 y 1/2000?

LECTURASLECTURAS



2.11 Trazo de canales

2.11.1 GeneralidadesEl trazo de los canales es muy similar al que se efectúa en las carreteras conla particularidad, que la pendiente es generalmente descendente debe permitir una fácil construcción, control y mantenimiento del canal.

Se debe procurar evitar excesivos movimientos de tierras tanto en corte o en relleno, porque pueden ser motivo de mayores costos y en el caso de los rellenos motivar asentamientos peligrosos.

El trazo se Inicia con la ejecución de la triangulación en el área del proyecto y el sembrado de B.M. para controlar los niveles y luego se ejecuta un reconocimiento del recorrido del canal. teniendo en cuenta la ubicación de la toma y las áreas de riego que se beneficiaran con el proyecto.

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