Informe Diseño De Canal 1s1j1x

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO - PUNO FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA TOPOGRAFICA Y AGRIMENSURA

ASIGNATURA HIDRAULICA II INFORME: ESTUDIO TOPOGRÁFICO Y DISEÑO DE CANAL

Docente: Ing. Juan E. Araoz Barrios

ALUMNO: AGUSTO ISRRAEL TICONA BALDÁRRAGO Email: [email protected] Código: 151501

PUNO, 2017 – diciembre

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ESTUDIO TOPOGRÁFICO Y DISEÑO DE CANAL 1. INTRODUCCIÓN El presente informe consta sobre el estudio topográfico y diseño de un canal, la cual se realiza como parte del desarrollo de las prácticas programadas en la asignatura de Hidráulica II, de la Escuela Profesional de Ingeniería Topográfica y Agrimensura de la Universidad Nacional del Altiplano – Puno. Para lo cual primeramente se ha realizado un reconocimiento de la zona de captación del canal (progresiva 0+000), hasta su punto final de llegada (progresiva 0+313.39), seguidamente se realizó el estudio topográfico que consistió en el trazo de gradiente y determinación de BMs, ubicación de puntos de intersección y alineamientos, trazo de progresivas, nivelación geométrica de progresivas y por último el levantamiento topográfico de la faja de terreno. Para el diseño del canal, se determinó la sección de máxima eficiencia hidráulica con sus características hidráulicas y geométricas del canal y finalmente se elaboraron los planos correspondientes. El criterio básico que ha primado para la realización del trabajo es su ubicación geográfica, medios disponibles para su realización, características topográficas y geográficas del lugar. 2. OBJETIVOS  Realizar el estudio topográfico para el diseño de un canal abierto, para conducir un caudal de un metro cúbico con una gradiente de tres por mil.  Determinar la sección de máxima eficiencia hidráulica con sus características hidráulicas y geométricas del canal.  Elaborar el juego de planos correspondientes. 3. ASPECTOS GEOGRÁFICOS 3.1. UBCACIÓN: El área de estudio se encuentra ubicado en la zona del bosque de la Universidad Nacional del Altiplano – Puno. Tomando como referencia la bocatoma (progresiva 0+000), el proyecto canal se encuentra a una altitud de 3854.474 m.s.n.m. siendo sus coordenadas UTM en este

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punto de inicio las siguientes: 8250559.96 Norte y 390914.16 Este, comprendida en la zona 19 y banda L de nuestro sistema global de posicionamiento WGS84.

Ubicación de la zona del proyecto del canal, fuente: Google Earth. 2.2. TOPOGRAFÍA: La zona de estudio presenta una topografía ondulada con pendiente de terreno que varía entre un 15° a 20° y está dividida en dos tramos. El primer tramo desde la progresiva 0+000 hasta el PI4, cuya pendiente de terreno tiene una dirección Suroeste y el segundo tramo desde el PI-4 hasta la progresiva final cuya pendiente del terreno tiene una dirección Sureste, como se observa el en plano topográfico del trazo en planta. Geográficamente es un bosque en ladera cubierta por arboles de pino de gran tamaño.

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4. TRABAJO REALIZADOS 4.1. ESTUDIO TOPOGRÁFICO Reconocimiento de campo: Primeramente se realizó un reconocimiento del terreno, ubicando el punto de partida (captación), lugares de pasos previstos, posibles obras de arte y el punto final del trazo del canal. Nivelación y colocación de puntos de control altimétrico (BMs): En los canales abiertos que conducen agua por gravedad, las pendientes son siembre negativas y de bajo valor las que generalmente se expresan en tanto por mil, por lo que se requiere tener una buena nivelación con puntos de control altimétrico. En el trabajo realizado se colocaron BMs cada 100 metros a un costado del trazo de gradiente, los cuales fueron nivelados mediante una nivelación de circuito cerrado de ida y vuelta y finalmente compensadas, el BM inicial se determinó solamente con la ayuda de un GPS navegador, (ver cuadro de BMs). Cuadro de Bench Mark (BMs)

Trazo de línea de gradiente hidráulica en el terreno: La gradiente hidráulica es la línea sobre el terreno que corresponde y coincide lateralmente, en altimetría, con el espejo o superficie del agua que discurrirá cuando el canal esté conduciendo el agua a su nivel superior o sea con su capacidad plena. La gradiente hidráulica, expresada en tanto por mil, ha sido dato inicial para nuestro trazo y ha sido fijado por el Docente. La colocación de las estacas de

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gradiente en el terreno se realizó con el criterio de que cada una de ellas, clavada con su parte superior o tope a ras con el terreno, marque un punto que este al mismo nivel que la gradiente hidráulica antes descrita. El procedimiento que se siguió consistió en colocar estacas a distancia normal entre ellas, de 10m, los que se midieron con cinta métrica, comenzando del punto de partida, que fue el punto de captación, descendiendo de modo que cada estaca este siempre más baja que la anterior en una cantidad de acuerdo a la distancia entre estacas y a la gradiente hidráulica. Cuadro: Trazo de gradiente progresivas 0+000 al 0+137

La gradiente elegida para nuestro trazo es de tres por mil, si la cota de línea de gradiente en la progresiva 0+000 es 3854.475 y la línea de gradiente es tres por mil, significa que el intervalo entre progresiva y progresiva ubicada a una distancia

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constante de 10 metros, dicho intervalo será –0.035 metros, es decir que desciende cada 10 metros de trazo 0.035 metros de desnivel, por lo tanto la cota de la progresiva 0+010 es 3854.440. Este mismo criterio se aplica para la determinación de las demás cotas de línea de gradiente de cada progresiva. Cuadro: Trazo de gradiente progresivas 0+137 al 0+318

Alineamiento y determinación de los puntos de intersección (PIs): Para determinar el alineamiento y la determinación de los PIs del eje de un canal en el terreno, como el canal se va emplazar en una topografía ondulada con pendiente promedio de terreno entre 15% a 20%, se debe tener en consideración que el eje del canal debe estar ubicado de tal manera que el borde extremo del espejo de agua del

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canal coincida o este muy cercano al interior de la línea de gradiente del canal. De tal manera que todo el volumen de agua en una determinada sección del canal este siempre en corte para evitar un posible colapso del canal por empuje en el lado lateral de menor estabilidad. Para el trazo de los tramos rectos de alineamientos tanto en su longitud como en el número de PIs, depende mucho del caudal de agua (Q=1.00m3) que circulara por dicho canal y de las características del relieve topográfico ondulado.

Foto: Determinación de alineamientos y puntos de intersección con el Docente. Determinados los alineamientos y ubicados los PIs, se procedió de inmediato a la documentación y rotulación de los mismos, por otro lado también los PIs fijos en el terreno de acuerdo a la posición de los puntos de gradiente más cercanos a su respectivos PIs, se determinó con suficiente aproximación en valor de las externas que nos han de servir como dato de predimencionamiento de los radios para el diseño de las curvas horizontales que enlazaron con los respectivas tangentes del eje del canal. Una vez determinado los alineamientos y puntos de intersección en el terreno, se procedió al trazo de progresivas cada 10 metros tanto en los tramos en tangente como en los tramos en curvas. Para ello se utilizaron una estación total para la medición de ángulos y alineamientos, una cinta métrica y jalones para la medición de progresivas las mismas que se encuentran marcadas y monumentados en el terreno.

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Nivelación de las estacas del eje del canal: Replanteadas todas las progresivas con su respectiva estaca, se procedió a realizar la nivelación de cada progresiva. Para esto se realizó la nivelación geométrica de cada progresiva enlazada a cada uno de los BMs previamente establecidos en el trazo de gradiente. Levantamiento topográfico de la faja de terreno para la obtención de secciones transversales: Este se realizó con una estación total, lo que se conoce como el levantamiento del relleno topográfico de la faja de terreno de un ancho no menos de 10 metros a ambos lados del eje. Para esto es levanto cada progresiva, así como puntos perpendiculares al eje en cada una de las progresivas en las que la configuración del terreno cambia.

Foto: Levantamiento de la faja topográfica con estación total. 4.2. CALCULO DE LAS CARACTERISTICAS HIDRAULICAS Y GEOMETRICAS DEL CANAL Determinación de la máxima eficiencia hidráulica: Datos de diseño: Q = 1.00m3/s. s = 0.0035, (0.35% o 3.5 por mil). n = 0.013, (se consideró un canal de concreto). z = 1, (talud de 45° de inclinación).

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Por fórmula tenemos que: La base es igual: b  2h z 2  1  z  2h 12  1  1  2h 2  1  0.828h



 

 



El área será: A  bh  zh 2  0.828hh   h 2  0.828h 2  h 2  0.828  1h 2  1.828h 2 La fórmula de caudal es: 1 A 2 Q   R 3  s 2    n Remplazando valores tenemos: 2 8 1 1.828h 2   h  3  1.00     0.0035 2   140.615 h 3 0.630.059    0.013   2     8 1.00  5.226673046 h 3    Despejando tenemos: 8 1 h 3   0.1913262971 5.226673046

h  8 0.1913262971  0.539  0.54m 3

Entonces: b  (0.828)(0.539)  0.445  0.45m





A  bh  zh 2  1.828h 2  1.828 0.542  0.53m 2

P  b  2h 1  z 2  0.45  20.54 1  12  1.98m R

A 0.53   0.27m P 1.98

V

2 1 1  2 3  12  1   R  s    0.27 3  0.0035 2   1.90 m s    0.013   n

Según la tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal del Ministerio de Agricultura y alimentación (1978), publicado por la Autoridad Nacional del Agua (Lima, diciembre 2010). Determina que para un caudal entre 0.50m3/s y 1.00m3/s, asigna un borde libre de fb=0.25m en canales revestidos.

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Por lo que nuestra altura de canal (H) es igual a: H=h+fb = (0.54m)+(0.25m) = 0.79m, redondeando la altura de nuestro canal es: H=0.80m.

4.3. DETERMINACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LAS CURVAS HORIZONTALES Cada tramo recto o alineamiento del trazo del canal, en los cambios de orientación deberán estar enlazados mediante curvas horizontales circulares, teniendo como datos iniciales los ángulos de intersección, radios y progresivas de cada PI. Elementos geométricos iniciales: PI Punto de Intersección de 2 alineaciones consecutivas, es el punto de intersección de las tangentes o vértice de la vía. PI1 = DH1, (DH entre el PI0 y PI1) PI2 = DH2+PT1-T1 PI3 = DH3+PT2-T2, de igual forma se determina los demás PIs, hasta el último. R Longitud del radio de la curva (m), dato asumido por diseño en base a los radios mínimos según el caudal de diseño y también en base a la externa de predimencionamiento. Ep Rp    1   1  cos( / 2) 

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I Angulo de deflexión de las tangentes. Es igual al ángulo central tendido por el arco PC-PT, (algunas veces al ángulo de intersección de le denomina con la letra “∆”). I = 180º - ángulo horizontal; cuando es curva a la izquierda I = Ángulo horizontal – 180º; cuando es curva a la izquierda Elementos geométricos de una curva circular: PC Punto de inicio de la curva o punto de Curvatura. Es el punto en donde termina la tangente y empieza la curva. PC = PI -T

PTPunto de tangencia. Es el punto en donde termina la curva y empieza la tangente de salida. PT = PC + LC E Distancia a externa (m). Es la distancia desde el PI al punto medio de la curva. E = Tan (∆/4) * T T Longitud de tangente (m). Es la distancia en línea recta del PC a PI y del PI a PT. T = Tan (∆/2) * R LC Longitud de la curva (m). Es la distancia del PC al PT vía curva. LC = (R * ∆ *  ) / 180 CM Longitud de la cuerda (m). Es la distancia en línea recta desde el PC al PT. CM = 2R * Seno (d) Dónde: d = (I/2)

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4.3. ELABORACIÓN DE PLANOS Y DETERMINACION DE VOLUMENES Elaboración del plano topográfico y trazo en planta: Se confecciono a la escala de 1/1000, en lo cual contiene lo siguiente:  La topografía de una faja de terreno de no menos de 20 m de ancho a curvas de nivel con equidistancia máxima de 0.50 metros.  Las líneas más destacadas de la plataforma, señalando las progresivas y anotando los hectómetros e indicado cada progresiva.  Indicación de todos los BMs. (bench mark) colocados a lo largo del trazado cada 100 metros.  Las curvas horizontales numeradas correlativamente el número de PI y en un cuadro aparte se indican todos sus elementos de diseño geométrico. Elaboración del perfil longitudinal: El perfil longitudinal corresponde al eje de simetría de la sección transversal del canal y sus altitudes o cotas al perfil natural del terreno. Cuando de dibuja la rasante de un perfil longitudinal, sus altitudes o cotas corresponden al fondo del canal. Para dibujar el perfil es necesario disponer de las distancias acumuladas a partir de un punto de referencia más conocidas como progresivas, las cuales se colocan en el eje de las abscisas y las cotas o altitudes las cuales se colocan en el eje de las ordenadas. Para el dibujo del perfil longitudinal se tuvo en cuenta lo siguiente: • Rayado horizontal representativo de las alturas generalmente cada metro y otro vertical representativo de las distancias correspondientes a las progresivas 10 metros. • En base a los datos de progresivas y altitudes que previamente coloca en la parte inferior del perfil en el cuadro de datos, se dibujo el perfil natural del terreno con línea continua delgada mediante segmentos rectos entre progresiva y progresiva (polylinea).

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Una vez dibujado el perfil natural del terreno, se diseño la rasante, teniendo como base las cotas de gradiente hidráulica y el tirante de agua. La escala vertical aplicada para el dibujo de perfil, es diez veces mayor que la escala horizontal. Un perfil bien elaborado y completo debe contener al menos la siguiente información: trazo del perfil del terreno con línea continua y delgada, Rasante del canal con línea continua y gruesa, BMs. cada 100 metros, alineamiento horizontal, cota de rasante, cota de terreno, pendiente de rasante, tipo de suelos, progresivas, etc. También se debe indicar la sección tipo del canal con todas sus características geométricas y demás detalles que sean necesarios. La escala asumida es: (escala horizontal: 1/1000 y vertical: 1/100).

Elaboración de las secciones transversales: Las secciones transversales son cortes imaginarios transversales al eje longitudinal del trazo que se dibujan en cada progresiva, este eje longitudinal viene hacer el centro de simetría de la sección transversal en cual nos permite tener una idea sobre la ubicación de la altitud o cota de rasante de la progresiva sobre la altitud o cota del terreno de la misma. Las secciones transversales nos ayudan a diseñar en el caso de canales, la plataforma y la sección tipo del canal, permitiendo dibujar los taludes de corte y rellenos adecuados. Los taludes para las secciones transversales, considerando que se trata de tierra compactada, se asumió en corte (H=1, V=2) y en relleno como materiales varios se asumió (H=1.5, V=1). Las secciones contienen los siguientes datos: perfil del terreno dibujado con línea continua y delgada, sección tipo y taludes, dibujado con línea continua y gruesa, progresiva, cota de terreno y cota de rasante, área de corte y relleno. Esta elaborado a la escala de 1/200. Determinación de áreas: En secciones transversales se determina dos tipos de áreas, las áreas de corte (cuando la plataforma o rasante se encuentra por debajo del perfil del terreno), y áreas de relleno (cuando la plataforma o rasante se encuentra por encima del perfil del terreno). Determinación de volúmenes: Generalmente, el cálculo de los volúmenes se realizó a partir de secciones transversales tomadas perpendicularmente a lo largo del eje central del canal. El método utilizo es el de las áreas medias.

V

 A1  A2 x d 2

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Donde: V = Volumen entre ambas secciones en m3 A1, A2 = Área dos secciones S1 y S2 en m2 d = Distancia entre secciones en m. Cuadro de movimiento de tierras.

Resumen: Total volumen de corte = 1087.47m3. Total volumen de relleno = 200.20m3. Total volumen tierra suelta = 1087.47m 3. Total material exceso = 956.26m3. Total material defecto = 68.99m3.

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5. CONCLUCIONES Y SEGERENCIAS 5.1. CONCLUCIONES: 

Primero: El área de trabajo, presenta un relieve topográfico ondulado con una pendiente de terreno que varía entre 15% a 20% en dos direcciones, la primera parte en dirección suroeste y la segunda parte en dirección sureste.



Segundo: El caudal asignado por el docente es de 1.00m 3/s, con una gradiente hidráulica de 0.0035 (tres por mil) y un talud de diseño de z=1.

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Tercero: Para efecto del diseño del canal, se determinó la máxima eficiencia hidráulica considerando un canal de sección trapezoidal y de concreto con un factor de rugosidad de n=0.013, considerando que el tipo de material es de tierra suelta areno arcillosa.

5.2. SUGERENCIAS: 

Primero: Mayor participación y puntualidad de los compañeros de estudio en cada una de las prácticas realizadas en campo.

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Segundo: No tener inconvenientes en futuras salidas y/o prácticas de campo con los equipos topográficos, ya que estos retrasan las actividades programadas con antelación.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: 

Araoz Barrios, Juan. Apuntes de la asignatura de Hidráulica II, Epita – Una, (Puno 2017).



Autoridad Nacional del agua. Criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y afianzamiento hídrico, (Lima 2010).



Ministerio de Agricultura y Alimentación. Boletín Técnico N- 7 “Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales” (Lima 1978).



Villón B. M. Hidráulica de canales. Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, (Lima 1981).

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