TUNELES HIDRAULICOS. HIDRAULICOS.
I.
GENERALIDADES
Los túneles Los túneles hidráu hidráulic licos os básica básicament mente e son aquell aquellos os destin destinado adoss a conduc conducir ir agua agua,, esta esta defn defnic ició ión n aunq aunque ue parez parezca ca obvia obvia pone pone de pres present ente e hech hecho, o, conducir agua, que les confere su singularidad. Existe una gran variedad en cuanto a su uso: • • • • • •
provechamiento hidráulico bastecimiento de agua lcantarillado sanitario ! alcantarillado pluvial "rasvase "rasvase de cuenca #iego drena$e En%riamiento de plantas t&rmicos
•
'uando 'uando hablamo hablamoss de transp transport orte e por conduc conducto to cubiert cubierto o nos re%erim re%erimos os a aquellas obras que conducen agua a r&gimen de canal, a trav&s de una loma (cerro), llamados túneles. 'uando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terr terren eno, o, se pres presen enta ta la posi posibi bili lida dad d de dar dar un rodeo odeo para para evit evitar arla la,, o atravesarla mediante la construcción de un túnel. En cuanto a su dise*o de túneles hidráulicos presentan, respecto a los demás túneles, la particularidad de que pueden tener una presión interior. ntes de construir el túnel es
necesario realizar los
dise*os geot&cnicos, estructurales, hidráulicos ! ambientales necesarios para garantizar su estabilidad ! su %uncionalidad. +e da la utilización de túneles en los siguientes casos: •
•
•
II.
'uando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando el macizo monta*oso que los separa. 'uando de este modo se evita el desarrollo de un largo canal abierto ! con el consiguiente aumento de pendiente ! reducción de la sección, se consigue una apreciable economa. 'uando la pendiente transversal es demasiado elevada ! el material de mala calidad, no permiten asegurar la estabilidad del canal abierto.
FINALIDAD
-n túnel que se emplea como canal %unciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada ! puede conservar la %orma geom&trica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.
III.
CONSTRUCCIÓN
La construcción de túneles tiene di%erentes ! variadas %ormas de hacerse: or cambios bruscos en temperatura: este es el sistema más clásico de todos, consiste en hacer una hoguera en el %rente del túnel para calentar la roca, más tarde se le aplica agua %ra lo que producirá un resquebra$amiento ! posibilitará una %ácil remoción.
or per%oración ! voladura: La per%oración en este caso se hace por medio de la colocación de tacos de dinamita para luego volar la roca ! per%orar de este modo, luego de la voladura se debe sacar el humo ! todos los agentes que puedan causar contaminación por medio de extractores, se comienza a sacar el material volado, se acondiciona luego con todos los servicios ! hasta que no se termine este ciclo, no se puede comenzar con el otro.
er%oración completa: +e hacen con unas máquinas especiales, sólo se pueden hacer per%oraciones circulares, la superfcie que es excavada quedará casi completamente lista para empezar a %uncionar lo que evitará las sobre excavaciones, además el material excavado se lleva a la parte posterior de la máquina por medio de bandas transportadoras mane$ando de ese modo una efciencia máxima. 'on rozadoras: Es un brazo hidráulico articulado con dos ruedas que poseen elementos abrasivos, este brazo se puede mover tanto horizontal como verticalmente.
IV.
ESTIMACIÓN DE CARGAS
Las cargas que van a a%ectar el dise*o son básicamente/ las producidas por la roca, las producidas por las %uerzas hidráulicas interiores ! las %uerzas producidas por las hidrostáticas externas/ es de alta importancia saber que en donde se crea existirá un ma!or es%uerzo sobre el túnel a la hora de hacer el revestimiento se debe pensar en un determinado tipo de blinda$e, para asegurar as el cumplimiento ! la seguridad en el túnel.
V. V.1.
FORMA DEL TRABAJO DEL TUNEL A GRAVEDAD
+i tienen una superfcie libre a presión atmos%&rica como los canales abiertos. 0eben seguir rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada. +e utilizan cuando el nivel de agua es casi constante a la entrada, o sea en las tomas por derivación directa
V.2.
A PRESIÓN
+i llenan toda la sección como las tuberas. ueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por deba$o de la lnea piezom&trica.
+e utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su entrada se ubica a no menos de 1 metros por deba$o del nivel mnimo de agua. l fnal del túnel se coloca una chimenea de equilibrio.
VI.
CRITERIOS DE DISEÑO
cortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la perdida de carga ! que dan pocos gastos de conservación/ pero su inconveniente %undamental es el costo, no obstante el precio de los túneles de abastecimiento es considerablemente más ba$o que otros tipos de túnel (carretera, %errocarril, etc.), debido a su escasa sección, !a que las difcultades de construcción de los túneles aumentan mu! %uertemente con el aumento de tama*o. su vez por esta misma razón la e$ecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a galeras de avance, ni a m&todos especiales. Las secciones transversales más empleadas son la herradura para canales rodados ! la circular para conducciones a presión, estas secciones deberán tener unas dimensiones mnimas que permitan el traba$o relativamente cómodo en su interior.
•
+in embargo es conveniente pro!ectar los túneles de %orma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente ma!ores a los de pro!ecto), puesto que as se %acilitan los incrementos %uturos del abastecimiento. Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar fltraciones ! p&rdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuberas %orzadas en su interior, el túnel podrá de$arse sin revestir.
•
VII. DISEÑO DE LA SECCIÓN – TUNELES A GRAVEDAD La %orma de la sección de un túnel debe ser tal que para un área dada, el caudal que circula debe ser máximo ! tambi&n que resista a las presiones generadas en el interior. La construcción de túneles as como la selección de su %orma ! tipo de revestimiento está ntimamente ligada con la geologa, mecánica de suelos ! rocas, puesto que uno de los datos más importantes es la presión que debe soportar.
VII.1.
FORMAS DE SECCIÓN
'+2 E+"#E32+ 0E "-4ELE+ E5-E62+
7 8 9.;, 1; < 9.=>m 7min 8 9.=> m ;min ? 9.@> m
VII.1.1. TUNELES DE SECCIÓN CIRCULAR -n canal semicircular es el más conveniente desde el punto de vista exclusivo de la efciencia hidráulica. +in embargo, este tipo de túneles para canales es poco usado por las difcultades constructivas que conlleva. El m&todo espa*ol de ;arragán considera la construcción mecánica de secciones circulares. +egún dicho ingeniero las secciones circulares representan una economa importante %rente a las otras secciones. En todo caso nuestra opinión es que es di%cil una generalización ! en cada caso debe hacerse un análisis t&cnicoAeconómico. VII.1.1.1.
CÁLCULO HIDRÁULICO
ara el caso de dise*o hidráulico tomaremos al túnel como si %uera una tubera de sección circular parcialmente lleno.
3ediante simple consideraciones geom&tricas se pueden determinar el área, permetro ! demás elementos de la sección transversal ocupada por el Buido. La tubera que traba$a parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una velocidad media ! un gasto ma!or a los que corresponderan a tubo lleno. Examinemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad máxima en un tubo parcialmente lleno. 'onsideremos una tubera cu!o diámetro es 0 ! cu!o radio es r. El Bu$o corresponde a un tirante !.
+e trata de hallar la relación !C0 que da la máxima velocidad para el Bu$o, ; es la super%icie libre, D es el ángulo en el centro.
Las expresiones correspondientes al área, permetro mo$ado ! radio hidráulico son: A =
r
2
2
P=rθ
( θ− senθ )
R=
r ( θ− senθ ) 2θ
+i consideramos las %órmulas de 3anning o de 'hez!, o cualquier otra, para el cálculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple que: x
V = k R
ara pendiente ! rugosidad constantes, , x, dependen de la %ormula particular empleada. or lo tanto, para que la velocidad sea máxima se requiere que el radio hidráulico sea máximo. dR =0 dθ
r senθ −θcosθ 2
θ
2
=0
0e donde θ= tgθ
θ= 4.4934 rad '
θ= 257 ° 27
''
10
≅
257 ° 30 '
F es el ángulo que corresponde a la velocidad máxima. +e determina inmediatamente que: 2 π −θ=102 ° 30 '
El tirante y =r
(− ) 1
cos
θ
2
0e donde y = 0.8128 ≈ 0.81 D
or lo tanto, cuando el tirante es >,=90 la velocidad es máxima.
+e observa que el resultado obtenido es independiente de la %órmula con la que se calcule la velocidad media. 'alculemos ahora cual es el valor de GC0 que hace que le gasto sea el máximo: A =
r
2
2
( θ− senθ )
P=rθ
R=
r ( θ− senθ ) 2θ
El gasto, si usamos la %órmula de 3anning, tiene por expresión
Q=
A R
2/ 3
S
1 /2
n
+e observa que para + ! n constante el máximo valor del gasto corresponde al máximo valor de #1CH d ( A R dθ 2 3
2 /3
)
− 1/ 3
A R
−2 dR 3
A
dθ
=0 dR dA + R2 /3 =0 dθ dθ
= R
dA dθ
−2 r ( r ( senθ −θcosθ ) r = ( 1− cosθ ) r (θ− senθ ) θ − senθ ) 2
3
2
2
2
θ
2
0e donde: 5 θcosθ −2 senθ −3 θ= 0
θ=5.278 rad θ=302 ° 24
'
26
''
≈ 302 ° 30 '
2
2θ
5ue es el ángulo que corresponde al gasto máximo. +e determina inmediatamente que: 2 π −θ=57 ° 30 '
El tirante y =r
(
−cos θ
1
2
)
0e donde y = 0.938 ≈ 0.94 D
or lo tanto, cuando se usa la %órmula de 3anning para los cálculos, el gasto es máximo cuando ! 8 >,I@ 0. +i se hubiera empleado la %órmula de 'hez!, entonces la condición hubiera sido: d ( A R dθ
2 /3
)
=0
G se habra obtenido θ=5.3784 rad '
''
θ=308 ° 09 35 ≈ 308 ° y = 0.95 D
or lo que cuando se usa la %órmula de 'hez! para los cálculos, el gasto es máximo cuando ! 8 >,I0.
VII.1.1.2.
PROPIEDADES HIDRÁULICAS
VII.1.2. TUNELES TIPO BAUL La %orma de baúl es más sencilla de construir. La Jigura ilustra las caractersticas de un túnel tipo baúl.
Las dimensiones de los túneles deben garantizar la %acilidad de su construcción. El ancho ! tipo de túnel dependerá de las necesidades del pro!ecto, establecidos por criterios como el caudal ! la velocidad.
VII.1.2.1.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VII.1.2.1.1.
HERRADURA ESTANDAR
# 8 radio de la bóveda ; 8 ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intercepción de la superfcie de con la bóveda h 8 d 8 tirante 8 área mo$ada 8 permetro mo$ado # 8 radio hidráulico n 8 coefciente de rugosidad •
a. CÁLCULO HIDRÁULICO El área mo$ada es igual a: A T =0.5 ×r
2
(
3.9462
+
π× β 90
2
)
+ sen p =k × r 1
2
0onde r es el radio de la bóveda:
K, es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la superfcie del agua con la bóveda.
d, es el calado ("irante) de agua.
El permetro mo$ado es igual a: p=r
(
3.785
)
+ π × β =k × r 90
2
El radio hidráulico es igual a 2
A k 1 ×r = k 3 × r R= = P k 2 × r
El caudal es igual a 1
Q = R n K =
2/ 3
1 /2
j
Q 1 /2
S
+: pendiente
b. '#'"E#+"M'+ 7M0#N-LM'+ 0E "-4EL "M2 ;OL # 0MJE#E4"E+ "M#4"E+ (d8h)
VII.1.3. TUNELES DE TIPO HERRADURA Es %recuente que los túneles se constru!an con una sección di%erente de la circular. -na delas secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguiente tabla sirve como a!uda para el cálculo de las secciones en herradura (horseshoe).
0ónde: G 8 tirante 0 8 diámetro 8 área 8 permetro mo$ado # 8 radio hidráulico
VII.1.3.1. PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LAS SECCIONES EN HERRADURA
VIII. VELOCIDAD DE DISEÑO EN TUNELES. •
ara caudales constantes oscila entre 9. a 1. mCs, pudiendo admitirse valores ma!ores cuando el caudal es mu! variable.
• •
• •
En túneles a presión las velocidades generalmente varan de 1. a @. mCs. #ugosidad: puede utilizarse: n:>.>9 ó n:>.>9 +i la roca es sana: n: >.>@
• •
• •
En túneles que traba$an a gravedad/ el tirante no debe pasar el =P de la altura total. El borde libre: ;L ?>.@> m (mnimo8>.H>m) uede utilizarse: ;L8H>P# (debe verifcarse)
VIII.1. EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO PARA CUALIER CONDUCTO ABOVEDADO hora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conducto abovedado. +iempre se tendrá por continuidad que: Q = AV
0e donde dQ= AdV + VdA =0
5ue es la condición de máximo caudal. 0e acá dV =−V
dA A
"ambi&n debe cumplirse la ecuación de 'hez! V =! √ RS
2 bien, V =!
√
A √ S P
+i reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dQ ! además se reemplaza el valor de dQ obtenido de la ecuación de 'hez! se llega a: 3 PdA = AdP
5ue es la ecuación di%erencial que f$a la condición de gasto máximo en cualquier conducto abovedado en el que se calcule el gasto con la %órmula de 'hez!.
+i hubi&ramos usado la %órmula de 3anning se habra obtenido que el gasto máximo ara cualquier conducto abovedado está dado por: 5 PdA =2 AdP
VIII.2. EXPRESIÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PARA CUALUIER CONDUCTO ABOVEDADO En cualquier conducto abovedado debe cumplirse que:
√
V =! √ RS =!
A 1/ 2 S P
0e donde: dV = ! S
1/ 2
1 2
1/ 2
( ) A P
PdA − AdP =0 2 P
PdA− AdP=0
5ue es la condición de máxima velocidad en cualquier conducto abovedado. Esta ecuación no depende de la %órmula empleada para el cálculo de la velocidad. 0e igual %orma pueden obtenerse las ecuaciones para otras %ormas de sección. La velocidad de dise*o en los túneles oscila entre 9, ! 1, mCs para caudales constantes, pudiendo admitirse valores ma!ores cuando el caudal es mu! variable. En los túneles a presión las velocidades generalmente varan de 1. mCs a @. mCs. "omando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza con enco%rados metálicos que producen superfcies bastante lisas, el coefciente de rugosidad se toma entre n8>.>9H ! n8>.>9.
IX.
CONCLUSION
Los "úneles hidráulicos vendran hacer obras hidráulicas de conducción de agua para los diversos procesos de aprovechamiento del agua. ara el dise*o de túneles se debe tener en cuenta varios parámetros para su dise*o. Los túneles son de gran importancia para la conducción de agua, ! esto a la vez se va conectado hasta un canal.
