Clase 05 conductos a superficie libre obras hidraulicas

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENERIA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CONDUCTOS A SUPERFICIE
LIBRE
5° clase

Ing. Alejandro Zapata
chafazg@gmail.com


2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE

2.7 Canales de fuerte pendiente
Como 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.



2.7 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 Tirante
En 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:
1 2
da = [1 - 1.3 (C - 0.25) ] dn
10
Considerando valores entre 0.25 < C < 0.75



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 libre
σ= Coeficiente (0.0002 para paredes lisas y 0.0035 para paredes rugosas)
V= Valor máximo de la velocidad en m/s
U= Velocidad media en m/s
Se debe cumplir también las condiciones siguientes:
V/U = 1.1 para paredes lisas
V/U = 1.3 para paredes medias



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 estableció
la siguiente ecuación:
Donde:
V = Velocidad a una distancia “y” de la pared
VW= Velocidad del aire
‫ = ح‬Coeficiente 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 pendiente
El 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.



Numero de Vedernikov: Numero de Montuori:

Donde:
V = Numero de Vedernikov
b = Ancho del fondo
V = Velocidad
d = Tirante medio
g = Aceleración de la gravedad 9.81 m2/s
= Angulo de inclinación de la línea de gradiente
M = Numero de Montuori
S = Pendiente media de la línea de gradiente
L = Longitud del tramo por considerar



Para 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 Canales
Las 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 Canales
Es 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 filtración
Los 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 la
viscosidad del agua varia con la variación de la temperatura, así mismo
depende también de la turbidez del agua.


2.9.2 Sección mínima de filtración
La 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 filtración
qf = Gasto en el fondo
qp = Gasto en cada pared
k = Constante de permeabilidad o proporcional


Reemplazando 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.


2.9.3 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 recorrido
Q = Gasto en m3/s
V = Velocidad en m/s
C = 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 Canales
2.10.1 Generalidades
Los 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 tengan
revestimiento.


2.10.2 Principales tipos de Revestimientos de Canales
Los 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 Canteada
Este revestimiento es muy utilizado en el Perú. en sus formas de piedra
canteada, labrada y sin labrar. Últimamente se viene empleando menos por el
alto 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 Canteada
La 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 Concreto
Los 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.


Como 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.


Antes 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 de
cemento 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 no
requieren 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 las
dimensiones 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 requiere
la ejecución de pruebas de campo y laboratorio antes de su empleo.

Es conveniente efectuar estudios de costo, tanto del revestimiento como de
su 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 con
las 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 revestimento
La 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.


Para 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 capital
P = Costo de la Inversión t-
I = Interés anual
n = Numero de años de vida útil. estimada de 40 a 50 años



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, utilizando
mezcladoras 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.


LECTURAS

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?


2.11 Trazo de canales
2.11.1 Generalidades
El trazo de los canales es muy similar al que se efectúa en las carreteras con
la 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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