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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.

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

2

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

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

4

5

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.

6

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:

8

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

9

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:

11

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:

13

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:

19

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.

24

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:

25

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

27

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.

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.

48

FOTO 07: Medicin del ancho al inicio de la rpida.

FOTO 08: Medicin del ancho a lo largo del tramo de la rpida.

49

FOTO 09: Medicin de la velocidad del caudal, aguas arribas de la rpida.

FOTO 10: Medicin de la pendiente de la rpida.

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.

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.

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.

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

55

ANEXO