obras de conducción

5/17/2018 obras de conducción - slidepdf.com

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA APUNTES DE CLASES ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO

CURSO DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE

OBRAS DE CONDUCCION

CANALES:

Se llaman canales a los cauces artificiales de forman regular que sirven para conducir

agua. El flujo del agua se produce sin presión; o sea, siempre existe una superficie

libre en el cual se tiene la presión atmosférica. Puede por lo tanto considerarse canal

cualquier conducto cerrado, como un tubo o túnel que se encuentra funcionando

parcialmente lleno.

Se llaman canales abiertos a los conductos que van a cielo abierto, es decir aquellas

que se excavan a media ladera por lo general, y el material excavado de ser posible

se utiliza en el relleno del labio inferior. Se llaman túneles a los conductos que se

excavan bajo tierra con el objeto de atravesar una loma.

CRITERIOS PARA EL TRAZADO:

El criterio que dirige el trazado de los canales o túneles y la selección de una u otra

posibilidad es el de conseguir la mayor eficiencia hidráulica y seguridad de las obras

con el menor costo.

El trazado de trabajo es similar a la que se realiza para carreteras, con la principal

diferencia de que la pendiente longitudinal de un canal debe ser siempre positiva

(bajando en la dirección del movimiento del agua) y puede variar solo dentro de

ciertos límites.

Por lo general, el sitio de la iniciación de la utilización del agua, como tanque de

presión (Riego por Aspersión y/o goteo), comienzo de la zona de riego, etc. Esta

establecida y desde allí se traza la línea de gradiente hacia el río para determinar la

ubicación de las obras de toma.

La gradiente del canal es forzosamente menor que la del rió y mientras menor es la

primera, mas larga resulta la longitud del canal y mayor el costo. A la inversa, un

canal disminuye de sección y consiguientemente de costo con el aumento de la

gradiente.

1




Si se traza la línea del canal desde la toma hasta el sitio donde se utilizara el agua,

siguiendo las líneas de nivel del terreno y descendiendo el numero de metros por

kilómetros que da la gradiente escogida, se puede obtener un resultado sumamente

tortuoso, que puede tener una longitud dos o tres veces mayor que la línea recta que

une los dos puntos.

Por eso debe estudiarse la posibilidad de rectificar la alineación acortando su longitud

por medio de túneles, acueductos, rellenos u otros tipos de obras. En cada caso es

necesario comparar el costo de las distintas alternativas. Los túneles se construyen

cuando representan una solución más económica o más estable que un canal abierto.

Si la pendiente transversal del terreno es muy fuerte (45° o mas), entonces el

volumen de excavación de la plataforma se hace tan grande que resulta mas

económica hacer un túnel.

También cuando el canal debe contornear una loma muy pronunciada, muchas veces

se puede reducir considerablemente la longitud por medio de un túnel que atraviesa

la loma de un lado a otro.

El túnel se construye cuando la longitud de recorrido de un canal es mayor a 2.5

longitud del túnel

Al comparar los costos de un canal con un canal, es necesario tomar en cuenta no

solo las inversiones, sino también los tiempos de construcción Un túnel puede costar

mucho menos que un canal, pero su construcción tendrá un avance de 1 metro hasta

5 metros por un día, lo cual si tiene gran longitud demoraría mucho tiempo en

completarse.

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SECCION TRANSVERSAL:

Al realizar el diseño de un canal, generalmente son dados el caudal Q que se desea

conducir y la gradiente de la que se dispone y que puede variar dentro de ciertos

límites. También se conoce el coeficiente de rugosidad que dependerá del tipo de

revestimiento que se escoja.

El área mojada se calcula en función de la velocidad aceptable en el canal. Esta

generalmente varía de 0.60 m/s y 3 m/s para evitar la sedimentación y la erosión.

La forma de la sección óptima, hidráulicamente hablando, es aquella que con su

superficie mojada mínima, conduzca el caudal máximo. La sección que tiene las

mejores características hidráulicas es semicircular pero es relativamente difícil de

construir y generalmente carece de estabilidad. Por este motivo la forma de sección

mas usada en canales es la trapezoidal, tal como se muestra en la figura anterior.

CLASIFICACION DE LOS CANALES

DE ACUERDO A SU ORIGEN:

NATURALES.- ARTIFICIALES.-

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SEGÚN LA SECCION.-

• RECTANGULARES

• TRAPEZOIDALES

• TRIANGULARES• CIRCULARES

• HERRADURA (HORSE-SHOE)

SEGÚN LA FUNCION QUE CUMPLEN.-

• CANAL DE DERIVACION

• CANAL MADRE O PRINCIPAL

• CANALES DISTRIBUTARIOS• DRENES

ELEMENTOS DE UN CANAL:

GEOMETRICOS CINETICOS DINAMICOS

Tirante =d v= n =

Area =d (b+zd) Q= s = hf/L

Perímetro= b+2d√1+Z2

Ancho Fondo =b

Ancho Superficial = B=b+2zd

CRITERIOS DE DISEÑO PARA CANLES DE FLUJO UNIFORME

En el diseño hidráulico de los canales, se debe tener en cuenta las leyes de la

hidráulica y los criterios siguientes a continuación:

a) VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION.- Durante el diseño hay que tener en cuenta

el hecho de que las velocidades de la corriente del agua en el canal excesivamente

grande, pueden actuar de una manera destructiva sobre el fondo y las paredes de

este. La velocidad media del agua en el canal debe ser menor que la velocidad de

socavación.

En el cuadro siguiente se dan las velocidades admisibles límites en función de los

suelos y el tipo de revestimiento en los cuales discurre el agua:

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VELOCIDAD MAXIMA DE EROSION

CARACTERISTICAS DEL SUELO

O DEL REVESTIMIENTO DEL CANAL

VELOCIDADES

MAXIMAS

EN M/S- Suelo Limoso, Turba descompuesta

Arena Arcillosa suelta, arcillas

blandas

Turba Fibrosa poca descompuesta

Arcilla arenosa madias y compactas

Arcillas duras

Encespedado

Conglomerado

Madera cepillada

Concreto f’c 140 Kg/cm2

Concreto f’c 210 Kg/cm2

Plancha de acero

0.25-0.50

0.70-0.80

0.70-1.00

1.00-1.20

1.20-1.800.80-1.00

1.80-2.40

6.00-6.50

3.80-4.40

6.60-7.40

12.00-30.00

b) VELOCIDAD MINIMA DE SEDIMENTACION.-

Otro de los problemas que tiene que afrontar el ingeniero hidráulico al proyectar

canales consiste en el transporte de los sedimentos.

La velocidad demasiada baja produce el depósito de los sedimentos, disminuyendo la

sección del canal y a veces asolvandolo por completo.

La corrección de estos defectos es costosa y por eso desde hace mucho tiempo seha estudiado la forma de crear un canal estable.

Por definición un canal estable, es aquel en el que no se presenta ni erosión ni

sedimentación (asolvamiento).

El primer estudio sobre canales estables fue publicado por Robert G. Kennedy, en

base a proyectos de irrigación de ISRAEL, LA INDIA, LA UNIÓN SOVIÉTICA y los

EE.UU., llegando a establecer la siguiente expresión como velocidad limite que no

produce sedimentación:

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Vo = βh 0.64

Vo = Velocidad media limite que no produce asolvamiento (m/s).

β = Coeficiente que depende del material en suspensión

h = Profundidad del agua (mts)

COEFICIENTES DE SEDIMENTACION

Material en Suspensión Valores β

• Arcilla muy fina 0.59

• Arena muy fina 0.58

• Barro arenoso 0.64

• Arcilla Gruesa 0.70

c) RELACION DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA:

Entre las diferentes secciones que pueden adaptarse en el diseño de los canales,

algunas secciones tienen condiciones llamadas de Máximas Eficiencia Hidráulica, son

aquellas que para un mismo gasto, pendiente y revestimiento, requieren un área

mojada mínima.

Se deduce que a igualdad de sección mojada, el caudal es tanto mayor cuanto mayor

es el radio hidráulico o lo que es lo mismo, cuanto menor es el perímetro. Se puede

por lo tanto determinar las dimensiones hidráulicas más ventajosas para distintas

formas de canales.

Así tenemos para una sección trapezoidal:

A=d(b+zd) → b = A/d – zd reemplazando en P:

P=b+2d√1+Z2 P=A/d - Zd+2d√1+Z2=0

El máximo gasto a igualdad de sección se produce cuando el perímetro es mínimo.

Derivando la ecuación e igualando a cero.

σP/σd = -A/d2 – Z + 2√1+Z2 = 0

De donde Obtenemos:

A/d2 = 2√1+Z2 – Z

Definiendo X, a la relación b/d, se obtiene: X = 2(√1+Z2 – Z)

Estableciéndose el siguiente cuadro para diversas secciones de canal.

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TALUD

Z0 1:1 ¼:1 ½:1 1½:1 2:1 3:1 Circulares

Horse-

ShoeX = b/d 2.00 0.83 1.56 1.24 0.61 0.47 0.32 0.80 0.82

d) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD:

Es la resistencia al escurrimiento del agua que presentan los revestimientos de los

canales artificiales y naturaleza de los cauces en los conductos naturales.

En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muy variable dependiendo de

la topografía, geología y vegetación, variando con las estaciones del año, se puedenpresentar casos en que las riberas del cauce sean de un material diferente al fondo,

el valor de “n” será el promedio. En la practica de la Ingeniería, la sección transversal

natural se sustituye, para facilitar la ejecución de los cálculos, por una sección

transversal de forma regular, cuya area es igual a la natural (Ver gráficos) sección

rectangular en cauce relativamente anchos → Rh ≈ b A = Bh P = B+2h

En las especificaciones técnicas se indicara la rugosidad del canal, especificando el

envejecimiento a que estará sometido.Ejemplo:

Concreto n= 0.012, indicando que tendrá que repararse cada 5 años para mantener la

rugosidad, si no ocurre, el tirante aumenta conforme aumenta la rugosidad de diseño.

VALORES DE “n” DADOS POR HORTON PARA SER EMPLEADOS EN LAS

FORMULAS DE KUTTER Y MANINGSUPERFICIE BUENA MALALadrillo Vitrificado 0.012 0.014

Acabado de cemento liso 0.011 0.013

Mortero de cemento 0.012 0.015

Madera cepillada 0.012 0.014

Concreto 0.014 0.018

Piedras grandes, guijarro 0.030 0.035

Metal liso 0.012 0.015

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Cemento y mampostería 0.020 0.030

De tierra rectos 0.020 0.025

De piedra uniforme 0.030 0.035

De tierra con vegetación 0.030 0.040

Tierra con vegetación y piedras 0.033 0.040

Con depresiones y vegetación 0.060 0.080

e) TALUDES RECOMENDADOS:

La inclinación de las paredes de los canales dependen de la geología de los terrenosque atraviesan, por lo cual el ingeniero al efectuar el trazo de los canales recomienda

los taludes más favorables, de acuerdo a su observación visual o con las calicatas

que pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materiales.

Los taludes empleados se muestran en el siguiente cuadro:

TALUDES RECOMENDADOSPARA CORTES EN TALUD

- Conglomerado 1:1

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- Suelos arcillosos

- Suelos areno limoso

- Suelos arenosos

- Suelos arenosos sueltos

- Roca alterada suelta

- Roca sana

- Tierra vegetal, arcilla

- Suelo arenoso

1:1

1.5:1

2:1

3:1

0.5:1

0.25:1

1.5:1

3:1

f) RADIOS DE CURVATURA MINIMOS:

Para el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de

curvatura mínimo, de acuerdo al diseño elegido. Se recomienda que varias entre los

siguientes valores:

Rc ≥ 10d ~ 15d

y/o Rc ≥ 3B ~ 5B

En el caso de canales con flujos de velocidades altas será necesario calcular la

mayor elevación que se produce por el cambio de dirección en el lado exterior de lacurva, lo cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal.

El peraltamiento se calcula con la siguiente expresión:

P = v2 B / g Rc

Donde:

P = Peraltamiento en mts.

V = Velocidad en m/sB = Ancho del espejo de agua en mts.

G = gravedad en m/s2

Rc = Radio de curvatura en mts.

EJEMPLO DE SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA.-

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Supongamos que necesitamos conducir un canal: Q = 3 m3/seg con una gradiente S

= 0.0009 y un coeficiente de rugosidad n = 0.020. ¿Se puede encontrar la sección y la

forma más económica, si el terreno es plano?

Usando la fórmula de Manning, tendríamos:

AS Rn

Q 21

321

=

A R 03.0503 32

=

32

2−

= R A

Los valores para los diferentes tipos de sección de máxima eficiencia hidráulicase presentan a continuación en forma tabulada:

Se observa que tanto la sección como el perímetro tienen valores mínimos

para el semicírculo. Sin embargo debido a la dificultad de su construcción, en la

mayoría los casos se prefiere las secciones trapezoidales.

g) BORDES LIBRES (FREE BOARD).-

Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional denominada

Borde Libre, con objeto de evitar desbordamientos por mala operación de

SECCIÓN ÁREA APERÍMETRO

P

TIRANTE

dRectángulo

Triángulo

Semicírculo

Trapezoidal, z = 0.577

Trapezoidal, z = 0.050

2.828

2.828

2.660

2.729

2.730

4.760

4.760

4.084

4.347

4.353

1.19

1.68

1.30

1.26

1.25

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compuertas, derrumbes o por olas debido al viento que pueden poner en peligro la

estabilidad del canal.

No existe una norma única para establecer el valor del borde libre, pero por

lo general varía 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 pequeños Q 2 m3/seg; Para canales mayores Q > 2 m3/seg

Se recomienda usar f b = 0.30 mt f b= 0.60 + 0.0037 V3 d (mt)

Donde: f b = borde libre en mt

v = velocidad del flujo m/segd = tirante mt

h) TIRANTES CRÍTICOS.-

El tirante crítico dc, es aquel para el cual la energía específica es mínima,

coincidentemente con este tirante el régimen lento o subcrítico pasa a régimen

rápido o supercrítico.

EL N° de Froude determina la condición de flujo:

N < 1 ; existe flujo subcrítico

N = 1 ; existe flujo crítico

N > 1 ; existe flujo supercrítico

Cuando el flujo está próximo a ser crítico, la superficie del agua se hace

inestable, produciendo olas.

Tirantes críticos para tipo de sección de canal:

Triangular : )2

(5

42

d g

V d c +=

Rectangular : )2

(5

42

d g

V d c += o

g

q2

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Trapezoidal : )2

(5

42

d g

V

f B

Bd c ++

+=

i) LONGITUD DE TRANSICIÓN.-

Debido a los cambios de sección en el trazo de los canales, es necesario

efectuar transiciones entre ellos para asegurar un flujo lo más uniforme posible.

La longitud de transición recomendable está dada por:

)(5.2 12 B B L −= , donde B2 y B1, son los anchos de los espejos de agua (mt)

aguas abajo y aguas arriba respectivamente.El Bureau of Reclamation recomienda que el ángulo máximo entre el eje del

canal y una línea que une los lados de la transición a la entrada y a la salida no

exceda de 12.5°, esto permite determinar la longitud de transición.

°

−=

5.122

12

Tg

B B L

Ej: Canal de sección circular a trapezoidal

Longitud

según

3 mt Fórmula

aprox.

j) FILTRACIÓN DE CANALES.-

La filtración de agua en los canales siempre ocurre, por lo que el problema

no puede ser considerado con indiferencia, pues al no llegar toda el agua a las

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zonas de riesgo, se reduce la eficiencia del sistema con las consiguientes

pérdidas económicas. Además la filtración en los canales no solamente representa

pérdidas de agua valiosa para los cultivos, sino que invariablemente resulta en la

elevación del nivel de las aguas freáticas, pudiendo causar efectos perjudiciales

para las plantas, salinización del suelo, exigiendo a menudo la construcción de

costosos sistemas de drenaje.

j-1) Factores Que Afectan La Filtración:

Es fácil ver que la filtración en los canales depende de muchos factores,

entre los que podemos citar:

- La permeabilidad del suelo.

- El tirante del agua en el canal

- Temperatura

- Edad del canal

- Caudal P = K/Q (Kostiakov)

Caudal m3/seg Perdida en % del caudal x

km

0.1 – 0.2

0.2 – 0.5

0.5 – 1.0

1.0 – 2.0

2.0 – 10.0

10.0 – 50.050.0 – 200.0

12 - 9

9 - 6

6 - 4

4.5 - 2.5

2.5 - 0.6

0.6 - 0.20.2 - 0.05

j-2) Fórmulas utilizadas para canales revestidos:

Existen varias fórmulas para el cálculo de la cantidad de agua perdida

por filtración en canales. De estas, las más conocidas en el sistema métrico

son:

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1. FORMULA DE T. INGHAM.- Desarrollado por el autor en 1896 en

base a observaciones en canales de la India.

)2(0025.0 d z bd P +=

P = pérdidas en m

3

/seg . kmd = Tirante mt

b = ancho del fondo

z = tangente del ángulo del talud con

la vertical

2. FORMULA DE PAVLOVSKI (1924).-

( )[ ] z d b K P ++= 12000,1 ; K es el coeficiente de permeabilidad

m/seg.

3. FORMULA DE PUNJAB.- Actualmente usada (1967)

53.0QC P P = ; siendo Q el caudal en m3/seg y CP un

valor que varía según el suelo.- Suelos muy permeables 0.03

- Suelos comunes 0.02

- Suelos impermeables 0.01

4. FORMULA DE E.A. MORITZ.- Usada en los EE.UU. (1951)

2

1

0375,0 AC P m=

donde A , es la superficie mojada

Cm, coeficiente que depende del material en el que está

excavado el canal, tiene los siguientes valores:

- Franco Arcilloso 0.08 ~ 0.30

- Franco Arenoso 0.30 ~ 0.45

- Arenas sucias 0.45 ~ 0.55

- Arenas y Gravas 0.55 ~ 0.80- Concreto 0.10

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j-3) Pérdidas en Canales Revestidos:

De acuerdo a Davis, todo canal debe ser revestido cuando las pérdidas

por filtración exceden de 0.46 m/día (5.32 x 10-4 cm/seg)

El revestimiento de un canal no elimina completamente las pérdidas por

filtración. Según Uginchus, las pérdidas en un canal revestido pueden

obtenerse multiplicando por un factor las pérdidas que se producen en el

mismo canal no revestido. Para el caso de un revestimiento de concreto de

7.5 cm, se ha encontrado que el coeficiente es igual a 0.13, o sea que las

pérdidas se reducen a la octava parte.

También puede utilizar la fórmula:

)1( 2 z d bt

d K P ++= , donde:

K = Permeabilidad de revestimiento del concreto, que varía de 10-5 cm/seg a

10-7 cm/seg

t = espesor del revestimiento

Ejemplo 1:

Se tiene un canal no revestido, n = 0.028 de sección trapezoidal, que conduce un

caudal Q = 15 m3/seg, con una gradiente de S = 0.0003 (0.3 0/00). El ancho del

fondo es b = 3 mt, el tirante d = 3 mt y los taludes tienen una inclinación de z =

1. La longitud del canal es 60 km y ha sido excavado en un suelo franco-arenosocuyo coeficiente de permeabilidad K = 5 x 10-6 cm/seg. Se solicita encontrar las

pérdidas por filtración por km, y el caudal final.

SOLUCIÓN:

La sección mojada : 2m18zd)(bdA =+=

El perímetro mojado : mt z d b P 5.1112 2 =++=

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La velocidad : m/seg0.835Q/AV ==

1. Según Ingham:

P = 0.0025 x 1.73 ( 3 + 2 x 1 x 3 )P = 0.039 m3/seg x km

2. Pavloski:

P = 1000 x 5 x 10-6 ( 3 + 6 x 2 )

P = 0.075 m3/seg x km

3. Punjab:

P = 0.02 x 150.563

P = 0.092 m3/seg x km

4. Moritz:

P = 0.0375 x 0.4 x 181/2

P = 0.064 m3/seg x km

En promedio se tendría para el tramo inicial una pérdida de P = 0.070 m 3/seg x

km que representa el 0.47 % del caudal total.

Considerando las pérdidas por filtración constante, el caudal al final del canal

sería:

Q = 15 – 0.070 x 60 = 10.8 m3/seg

ó Q = 15 (1 - 0.0047 x 60 ) = 10.8 m3/seg

O sea que en 60 km, se perderá 4.2 m3/seg, que representa el 28% del caudal de

entrada.

Ejemplo 2:

Suponiendo que al canal del ejemplo anterior se realiza un revestimiento de

concreto de 10 cm de espesor y considerando K = 2 x 10-5 cm/seg de

permeabilidad. Se solicita encontrar la pérdida por kilómetro.

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km x seg m x x x 35- 00434.0)414.133(1.0

310x2P =+=

Es decir que las pérdidas han disminuido 16 veces (0.070/0.00434), con

relación a lo que se tenía para el canal no revestido.

Considerando también constante la pérdida por km, obtenemos que la pérdida

total en 60 km, sería:

0.00434 x 60 = 0.26 m3/seg

lo que significa el 1.73 % del caudal total.

* Si realizamos una evaluación económica, considerando S/0.50 el costo del m3 de

agua se tendría:

k) REVESTIMIENTO EN CANALES.-

k-1) Finalidad y Justificación:

Los revestimientos deben satisfacer los siguientes requerimientos:

1) Crear una barrera impermeable al paso del agua, disminuyendo las pérdidasde esta y permitiendo extender el beneficio del riego a una mayor superficie

cultivable.

2) Proteger las tierras colindantes de los daños que en ellas causa la filtración

eliminando con esto la necesidad de costosas obras de drenaje.

3) Proteger el canal contra la erosión permitiendo una mayor velocidad. Esto a

su vez permite reducir la sección con la consiguiente economía en la

excavación.4) Reducir el coeficiente de rugosidad permitiendo el aumento de la velocidad.

5) Evitar el crecimiento de plantas acuáticas en las paredes del canal.

Las características de un buen revestimiento deben ser los siguientes:

1) Ser impermeable

2) Resistencia a la erosión

3) De bajo costo en cuanto a construcción como a mantenimiento4) Durable ante la acción de agente atmosféricos, plantas y animales.

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k-2) Tipos de Revestimientos:

Se han utilizado los materiales más diversos entre los cuales para casos

excepcionales se pueden citar la madera, el acero, los plásticos, pero los

materiales más comunes son los sgtes:

Fabricadas in situ

1) Mezclas con cemento: Prefabricadas

2) Mezclas asfálticas

3) Materiales térreos

4) Tratamientos químicos del terreno

- Revestimiento de Concreto

- Revestimiento de Mortero

- Revestimiento de Mampostería

- Revestimiento de Fibrocemento

- Revestimiento con Ladrillo

- Revestimiento Asfáltico (imprimante)

- Revestimiento de Concreto Asfáltico

- Revestimiento de Suelo-cemento

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