Tuneles Hidraulicos [PDF]

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FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL “TUNELES HIDRAULICOS” AUTOR: GALVEZ ASTONITAS VICTOR GONZALES CASTRO PIERCY VIDAL LIMO DELGADO JOSE LUIS MARTINEZ GUERRERO JEAN PIERRE MEJIA LEIVA NANCY MEDALY DOCENTE: ING. TEPE ATOCHE VICTOR MANUEL

CURSO: HIDRAULICA CICLO: VIII Pimentel - Perú 2021

TUNELES HIDRAULICOS

I.- GENERALIDADES Los túneles hidráulicos son aquellos destinados a conducir agua, esta definición, aunque parezca obvia pone de presente hecho, conducir agua, que les confiere su singularidad.  EXISTE UNA GRAN VARIEDAD EN CUANTOO A SU USO 1. Aprovechamiento hidráulico 2. Abastecimiento de agua 3. Alcantarillado sanitario y alcantarillado pluvial 4. Trasvase de cuenca 5. Enfriamiento de plantas térmicos Cuando hablamos de transporte por conducto cubierto nos referimos a aquellas obras que conducen agua a régimen de canal, a través de una loma (cerro), llamado túneles. Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, se presenta la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla mediante la construcción de un túnel. En cuanto a su diseño de túneles hidráulicos presentan, respecto a los demás túneles, la particularidad de que pueden tener una presión interior.

Diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad.  la utilización de túneles en los siguientes cosos: 1. cuando en necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando la montaña que los separa. 2. Cuando de este modo se evita el desarrollo de un largo canal abierto y con el consiguiente aumento de pendiente y reducción de la sección, se consigue una apreciable economía. 3. Cuando la pendiente trasversal es demasiado elevada y el material de mala calidad, no permite asegurar la estabilidad del canal abierto. II.-FINALIDAD Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavado y puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel. III.-CONSTRUCCION La construcción de túneles tiene diferentes y variadas formas de hacerse:  Los cambios bruscos en temperatura: este es el sistema más clásico de todos, consiste en hacer una hoguera en el frente del túnel para calentar la roca, más tarde se le aplica agua fría lo que producirá un resquebrajamiento y posibilitará una fácil remoción.  Los perforación y voladura: la perforación en este caso se hace medio de la colocación de tacos de dinamita para luego volar la roca y perforar de este modo, luego de la voladura se debe sacar el humo y 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 y hasta que no se termine este ciclo, no se puede comenzar con el otro.  Perforación completa: le hacen con unas máquinas especiales, solo se pueden hacer perforaciones circulares, la superficie que es excavada quedara casi completamente lista para empezar a funcionar lo que evitara las sobre excavaciones, además el material excavado se lleva a la parte posterior de la maquina por medio de bandas transportadoras manejando de ese modo una eficiencia máxima.

 Con rociadoras: es un brazo hidráulico articulado con dos ruedas que poseen elementos abrasivos, este brazo se puede mover tanto horizontal como verticalmente. IV.-ESTIMACION DE CARGAS Las cargas que van afectar el diseño son básicamente las producidas por la roca, las producidas por las fuerzas hidráulicas interiores y las fuerzas producidas por las hidrostáticas externas es de alta importancia saber que en donde se crea existirá un mayor esfuerzo sobre el túnel a la hora de hacer el revestimiento se debe pensar en un determinado tipo de blíndate, para asegurar el cumplimiento y la seguridad en el túnel. V.-FORMA DEL TRABAJO DEL TUNEL  A GRAVEDAD Tiene una superficie a presión atmosférico como los canales abiertos. Pueden seguir rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada. Utilizan cuando el nivel de agua es casi constante a la entrada, o sea en las tomas por derivación directa.

 A PRESION Llenas toda la sección como las tuberías. Pueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por debajo de la línea isométrica. Se utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, en túnel es depresión si su entrada se ubica a no menos de 1m por debajo del nivel mínimo del agua. El túnel se coloca una chimenea de equilibrio.

VI.-CRITERIO DEL DISEÑO  Cortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la perdida de carga y que dan pocos gastos de conservación, pero su inconveniente fundamental es el costo, no obstante, el precio de los túneles de abastecimiento es considerablemente más bajo que otros tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección, ya que las dificultades de construcción de los túneles aumentan muy fuertemente con el aumento de tamaño. Su vez por esta misma razón la ejecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en general, no será necesario recurrir a galerías de avance.  Las secciones transversales más empleadas son la herradura para canales rodados y la circular para conducciones a presión, estas secciones deberán tener unas dimensiones mínimas que permitan el trabajo relativamente cómodo en su interior.  Embargo es conveniente proyectar los túneles de forma que puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente mayores a los de proyecto), puesto que así se facilitan los incrementos futuros del abastecimiento.  Los túneles de abastecimiento deberán estar revestidos para evitar filtraciones y perdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuberías forzadas en su interior, en túnel podrá sin revestir. VII.-DISEÑO DE LA SECCION – TUNELES A GRAVEDAD La forma de la sección de un túnel debe ser tal que, para un área dada, el caudal que circula debe ser máximo y también que resiste a las presiones generadas en el interior. La construcción de túneles como la selección de su forma y tipo de revestimiento está íntimamente ligada con la geología, mecánica de suelos y rocas puesto que de los datos más importante es la presión que debe soportar.  FORMAS DE SECCION

CASO ESTREMOS DE TUNELES PEQUEÑOS

1. TUNELES DE SECCION CURCULAR Un canal semicircular es el más conveniente desde el punto de vista exclusivo de la eficiencia hidráulica. Sin embargo, este tipo de túneles para canales es poco usado por las dificultades mecánica de secciones circulares. Dicho ingeniero las secciones circulares representan una economía importante frente a las otras secciones. En todo caso nuestra opinión es que es difícil una generalización y en cada caso debe hacerse un análisis tecno económico.

2. CALCULO HIDRAULICO para el caso de diseño hidráulico tomaremos en túnel como si fuera una tubería de sección circular parcialmente llena.

mediante simple consideraciones geométricas se puede determinar el área, perímetro y demás elementos de la sección transversal ocupada por el fluido.

La tubería que trabaja parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una velocidad media y un gasto mayor a los que corresponderían a tubo lleno. Examinemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad máxima en un tubo parcialmente lleno. Consideremos una tubería cuyo diámetro es D y cuyo radio es r. el flujo corresponde a un tirante y.

Se trata de hallar la relación y/D que da la máxima velocidad para el flujo, AB es la superficie libre, θ es el ángulo en el centro. Las expresiones correspondientes el área, perímetros mojado y radio hidráulico son:

Si consideramos las fórmulas de manning o de chezy, o cualquier otra, para el cálculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple que

Para pendiente y rugosidad constante, k, x, dependen de la formula particular empleada. Por lo tanto, para que la velocidad sea máxima se requiere que el radio hidráulico sea máximo.

De donde

Θ Es el angulo que corresponde a la velocidad maxima. Se determina inmdiatamente que:

El tirante

De donde

Por lo tanto, cuando el tirante es 0,81D la velocidad es maximo. Se observa que el resultado obtenido es independiente de la formula con la que s calcule la velocidad media. Calculemos ahora cual es el valor de Y/D que hace que le gasto sea maximo:

El gasto, si usamos la formula de manning, tiene por expresion

Se observa que para S y n constante el maximo valor del gasto corresponde al maximo valor de AR2/3

De donde:

Que es el angulo que correspond al gasto maximo. Se determina inmediatamente que:

El tirante

De donde

Por lo tanto, cuando se usa la formula de manning para los calculos, el gasto es maximo cuando y=0,94D. Si se hubiera empleado la formula de chezy, entonces la condicion hubiera sido:

Y se habria obtenido

Por lo que cuando se usa la formula de chezy para los calculos, el gasto es maximo cuando y=0,95D. 3. PROPIEDADES HIDRAULICAS

4. TUNELES TIPO BAUL

La forma de baúl es más sencilla de construir. La figura ilustra las características de un túnel tipo baúl.

Las dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su construcción. El ancho y tipo de túnel dependerá de las necesidades del proyecto, establecidos por criterios como el caudal y la velocidad.

 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 5. HERRADURA ESTANDAR

R=radio de la bóveda B=ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intercepción de la superficie con la bóveda h=d=tirante A=área mojada P=perímetro mojado R=radio hidráulico n=coeficiente de rugosidad A. CALCULO HIDRAULICO El área mojada es igual a:

Donde r es el radio de la bóveda: Β, es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca intersección de la superficie del agua con la bóveda. d, es el calado (tirante) de agua. El perímetro mojado es igual a:

El radio hidráulico es igual a

Es caudal es igual a

S: pendiente

B. CARCTERISTICAS HIDRAULICAS DE TUNEL TIPO BAUL PARA DIFERENTES TIRANTES (d=h)

6. TUNELES DE TIPO HERRADURA es frecuente que los túneles se constituyan con una sección diferente de la circular. Una de las secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguiente tabla sirve como ayuda para el cálculo de la sección en herradura (hoseshoe).

Donde: Y=tirante D=diámetro A=área P=perímetro mojado R=radio hídrico 7. PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LAS SECCIONES EN HERRADURA

VIII.-VELOCIFAD DE DISEÑO EN TUNELES.  Para caudales constantes oscila entre 1.5 a 2.5 m/s, pudiendo admitirse valores mayores cuando el caudal es muy variable.  En túnel a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 a 4.5 m/s.  Rugosidad: puede utilizarse: n:0.01 o n:0.015  Si la roca es sana: n:0.04  En túneles que trabajan a gravedad; el tirante no debe pasar el 85% de la altura total.  El borde libre: BL ≥ 0.40m(mínima=0.30m)  puede utilizarse: BL=30%R (debe verificarse)

 EXPRESION DEL CAUDAL MAXIMO PARA CUALQUIER CONDUCTO ABOVEDADO Ahora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conductor abovedado. Siempre se tendrá por continuidad que:

De donde

que es la condición de máximo caudal.

También debe cumplir la ecuación de chezy

O bien,

Si reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dV y además se reemplaza el valor de dV obteniendo dela ecuación de chezy se llega a:

Que es la ecuación diferencial que fija la condición de gasto máximo en cualquier conducto abovedado en el que se calcule el gasto con la fórmula de chezy. Si hubiéramos usado la formular de manning se habría obtenido que el gasto máximo para cualquier conducto abovedado está dado por:

 EXPRECION DE LA VELOCIDAD MAXIMA PARA CUALQUIER CONDUCTOR ABOVEDADO En cualquier conducto abovedado debe cumplir que:

De donde:

Que es la condición de máximo velocidad en cualquier conducto abovedado. Esta ecuación no depende de la fórmula empleada para el cálculo de la velocidad. De igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de sección. La velocidad es diseño es los túneles oscila entre 1,5 y 2,5 m/s para caudales constantes, pudiendo admitirse valores mayores cuando es muy variable. En los túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 m/s a 4.5 m/s. tomando en cuenta que el revestimiento generalmente se realiza con encofrados metálicos que producen superficies bastante lisas, el coeficiente de rugosidad se toma entre n=0.013 y n=0.015.

IX.- CONCLUSION  Los túneles hidráulicos vendrían hacer obras hidráulicas de conducción de agua para los diversos procesos de aprovechamiento del agua.  Para el diseño de túneles se debe tener en cuenta varios parámetros para su diseño.  Los túneles son de gran importancia para la conducción de agua, y esto a la vez se va conectado hasta un canal.