Tuneles Hidraulicos 4s231a

TUNELES HIDRAULICOS.

I.

GENERALIDADES

Los túneles hidráulicos básicamente 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 cuanto a su uso:       

Aprovechamiento hidráulico Abastecimiento de agua Alcantarillado sanitario y alcantarillado pluvial Trasvase de cuenca Riego drenaje 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), llamados 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. Antes de construir el túnel es

necesario realizar los

diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad. Se da la utilización de túneles en los siguientes casos: 

Cuando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando el macizo montañoso que los separa.



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.



Cuando la pendiente transversal es demasiado elevada y el material de mala calidad, no permiten 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 excavada y puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.

III.

CONSTRUCCIÓN

La construcción de túneles tiene diferentes y variadas formas de hacerse:  Por 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.

 Por perforación y voladura: La perforación en este caso se hace por 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: Se hacen con unas máquinas especiales, sólo se pueden hacer perforaciones circulares, la superficie que es excavada quedará casi completamente lista para empezar a funcionar lo que evitará las sobre excavaciones, además el material excavado se lleva a la parte posterior de la máquina por medio de bandas transportadoras manejando de ese modo una eficiencia máxima.  Con 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 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 blindaje, para asegurar así el cumplimiento y la seguridad en el túnel.

V. V.1.

FORMA DEL TRABAJO DEL TUNEL A GRAVEDAD

Si tienen una superficie libre a presión atmosférica como los canales abiertos. Deben seguir rigurosamente la alineación vertical dada por la gradiente calculada. Se utilizan cuando el nivel de agua es casi constante a la entrada, o sea en las tomas por derivación directa

V.2.

A PRESIÓN

Si llenan toda la sección como las tuberías. Pueden tener una alineación cualquiera con tal de estar por debajo de la línea piezométrica.

Se utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel es de presión si su entrada se ubica a no menos de 2 metros por debajo del nivel mínimo de agua. Al final del túnel se coloca una chimenea de equilibrio.

VI.

CRITERIOS DE DISEÑO

Acortar 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. A 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, ni a métodos especiales. 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.



Sin embargo es conveniente proyectar los túneles de forma que puedan itir 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 pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o contener una o varias tuberías forzadas en su interior, el túnel podrá dejarse sin revestir.



VII.

DISEÑO DE LA SECCIÓN – 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 resista a las presiones generadas en el interior. La construcción de túneles así como la selección de su forma y tipo de revestimiento está íntimamente ligada con la geología, mecánica de suelos y rocas, puesto que uno de los datos más importantes es la presión que debe soportar.

VII.1.

FORMAS DE SECCIÓN

CASO ESTREMOS DE TUNELES PEQUEÑOS

H = 1.5B, 2B > 1.80m Hmin = 1.80 m Bmin ≥ 1.40 m

VII.1.1. TUNELES DE SECCIÓN CIRCULAR 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 constructivas que conlleva. El método español de Barragán considera la construcción mecánica de secciones circulares. Según 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 técnico-económico. VII.1.1.1.

CÁLCULO HIDRÁULICO

Para el caso de diseño hidráulico tomaremos al túnel como si fuera una tubería de sección circular parcialmente lleno.

Mediante simple consideraciones geométricas se pueden 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 al área, perímetro mojado y radio hidráulico son: 2

A=

r (θ−senθ) 2

P=rθ

R=

r (θ−senθ) 2θ

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:

V =k R x Para pendiente y rugosidad constantes, 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.

dR =0 dθ

r senθ−θcosθ =0 2 θ2 De donde

θ=tgθ

θ=4.4934 rad '

''

θ=257° 27 10 ≅257 ° 30 '

Θ es el ángulo que corresponde a la velocidad máxima. Se determina inmediatamente que:

2 π −θ=102 ° 30 ' El tirante

(

y=r 1−cos

θ 2

)

De donde

y =0.8128≈ 0.81 D Por lo tanto, cuando el tirante es 0,81D la velocidad es máxima.

Se observa que el resultado obtenido es independiente de la fórmula con la que se calcule la velocidad media. Calculemos ahora cual es el valor de Y/D que hace que le gasto sea el máximo: 2

A=

r (θ−senθ) 2

P=rθ

R=

r (θ−senθ) 2θ

El gasto, si usamos la fórmula de Manning, tiene por expresión

Q=

A R2/ 3 S1 /2 n

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

d ( A R2 /3 ) =0 dθ 2 −1/ 3 dR 2 /3 dA AR +R =0 3 dθ dθ −2 dR dA A =R 3 dθ dθ −2 r 2 ( r (senθ−θcosθ) r 2 r θ−senθ ) = (1−cosθ) (θ−senθ) 2 3 2 2 2 2 θ θ

De donde:

5 θ cosθ−2 senθ−3 θ=0

θ=5.278 rad θ=302 ° 24' 26' ' ≈ 302° 30 '

Que es el ángulo que corresponde al gasto máximo. Se determina inmediatamente que:

2 π −θ=57 ° 30 ' El tirante

(

y=r 1−cos

θ 2

)

De donde

y =0.938≈ 0.94 D Por lo tanto, cuando se usa la fórmula de Manning para los cálculos, el gasto es máximo cuando y = 0,94 D. Si se hubiera empleado la fórmula de Chezy, entonces la condición hubiera sido:

d ( A R2 /3 ) =0 dθ Y se habría obtenido

θ=5.3784 rad '

''

θ=308 ° 09 35 ≈308 ° y =0.95 D Por lo que cuando se usa la fórmula de Chezy para los cálculos, el gasto es máximo cuando y = 0,95D.

VII.1.1.2.

PROPIEDADES HIDRÁULICAS

VII.1.2. 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.

VII.1.2.1.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

VII.1.2.1.1.

HERRADURA ESTANDAR

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

(

A T =0.5 ×r 2 3.9462+

π× β + sen2 p =k 1 × r 2 90

)

Donde r es el radio de la bóveda:

β, es el ángulo con la horizontal que hace el radio que toca la intersección de la superficie del agua con la bóveda.

d, es el calado (Tirante) de agua.

El perímetro mojado es igual a:

(

p=r 3.785+

π×β =k 2 × r 90

)

El radio hidráulico es igual a 2 A k 1 ×r R= = =k 3 × r P k 2× r

El caudal es igual a

1 2/ 3 1 /2 Q= R j n K q=

Q 1 /2 S

S: pendiente

b. CARCTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE TUNEL TIPO BAÚL PARA DIFERENTES TIRANTES (d=h)

VII.1.3. TUNELES DE TIPO HERRADURA Es frecuente que los túneles se construyan con una sección diferente de la circular. Una delas secciones más empleadas es la sección en herradura. La siguiente tabla sirve como ayuda para el cálculo de las secciones en herradura (horseshoe).

Dónde: Y = tirante D = diámetro A = área P = perímetro mojado R = radio hidráulico

VII.1.3.1. PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LAS SECCIONES EN HERRADURA

VIII.         

VELOCIDAD DE DISEÑO EN TUNELES.

Para caudales constantes oscila entre 1.5 a 2.5 m/s, pudiendo itirse valores mayores cuando el caudal es muy variable. En túneles a presión las velocidades generalmente varían de 2.5 a 4.5 m/s. Rugosidad: puede utilizarse: n:0.01 ó 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 ≥0.40 m (mínimo=0.30m) Puede utilizarse: BL=30%R (debe verificarse)

VIII.1. EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO PARA CUALQIER CONDUCTO ABOVEDADO Ahora examinaremos la misma condición, pero para cualquier conducto abovedado. Siempre se tendrá por continuidad que:

Q= AV De donde

dQ= AdV +VdA=0 Que es la condición de máximo caudal. De acá

dV =−V

dA A

También debe cumplirse la ecuación de Chezy

V =C √ RS O bien,

V =C

√

A √S P

Si reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dV y además se reemplaza el valor de dV obtenido de la ecuación de Chezy se llega a:

3 PdA= AdP 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 fórmula de Manning se habría obtenido que el gasto máximo Para cualquier conducto abovedado está dado por:

5 PdA=2 AdP VIII.2. EXPRESIÓN DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PARA CUALQUIER CONDUCTO ABOVEDADO En cualquier conducto abovedado debe cumplirse que:

V =C √ RS=C

√

A 1/ 2 S P

De donde:

dV =C S 1/ 2

1 A 2 P

1/ 2

( )

PdA− AdP =0 P2

PdA− AdP=0

Que es la condición de máxima 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 de diseño en los túneles oscila entre 1,5 y 2,5 m/s para caudales constantes, pudiendo itirse valores mayores cuando el caudal 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.