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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE AGRONOMIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGRICOLA

CURSO

:

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

PROFESOR

:

TEMA

:

DISEÑO DE UN ACUEDUCTO

CICLO

:

X

ALUMNO

:

ANGEL PAUL TAVARA SAUCEDO

ING. WALTER RAMIREZ CHACON

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PIURA- PERU 2015

INDICE

INTRODUCCION

……………………………………………………..3

IMPORTANCIA Y JUSTIFICACION…………………………………………. 4 OBJETIVOS

……………………………………………………. 5

MARCO TEORICO ………………………………………………………...

6

MATERIALES Y METODOS……………………………………………18 RESULTADOS…………………………………………………….

21

CONCLUSIONES……………………………………………………..

33

BIBLIOGRAFIA…………………………………………………….

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INTRODUCCION

En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – canal abierto o a presión -, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, etc) etc. Para el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la disponibilidad del recurso hídrico (hidrología), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta. De manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y experiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola.

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IMPORTANCIA: En el siguiente informe estudiaremos y practicaremos el diseño de un ACUEDUCTO. Desde hace varios siglos, el hombre ha tratado de solucionar diferentes tipos de problemas que las sociedades han demandado, uno de ellos, fue trasladar una de las sustancias más importantes que el hombre necesita “EL AGUA”, este vital líquido es indispensable para la subsistencia de todas las personas y además es uno de los componentes fundamentales del desarrollo de las mismas, los primeros ingenieros tuvieron que encontrar una forma de llevar el vital líquido lo más cerca de sus sembradíos, para poder aliviar en gran medida el inmenso problema del riego de sus cultivos, y las demás utilidades que esta brinda. El acueducto es un sistema o conjunto de sistemas de irrigación que permite transportar agua en forma de flujo continuo desde un lugar en el que está accesible en la naturaleza hasta un punto de consumo distante, generalmente una ciudad o poblado. Cualquier asentamiento humano, por pequeño que sea, necesita disponer de un sistema de aprovisionamiento de agua que satisfaga sus necesidades vitales. La solución empleada desde antiguo consistía en establecer el poblamiento en las proximidades de un río o manantial, desde donde se acarrea el agua a los puntos de consumo. Otra solución consiste en excavar pozos dentro o fuera de la zona habitada o construir aljibes. Pero cuando el poblamiento alcanza la categoría de auténtica ciudad, se hacen necesarios sistemas de conducción que obtengan el agua en los puntos más adecuados del entorno y la lleven al lugar donde se ha establecido la población

JUSTIFICACIÓN:

Los canales son conductos que sirven para el transporte del agua, desde el punto de captación hasta el punto de entrega para su uso (generación de energía eléctrica, riego, uso poblacional, etc). Generalmente los canales que sirven a las plantas hidroeléctricas son revestidos, en cambio, por razones de costo en lo que se refiere a la inversión inicial, en la mayoría de los casos, los canales con fines de irrigación se dejan sin revestir.

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OBJETIVOS:  Generales Aplicar conocimientos teóricos y prácticos sobre diseño hidráulico y estructural en la elaboración y diseño de un acueducto, sus propiedades, los principios y ecuaciones fundamentales que gobiernan El Diseño de Obras Hidráulicas en este caso la de un acueducto.

 Específicos Haciendo el uso de normas, se pretende fijar los requisitos mínimos de ingeniería para el diseño y ejecución de las obras e instalaciones hidráulicas. Analizar y discutir críticamente el diseño y funcionamiento de acueductos construidos y en funcionamiento. Aplicar la Hidráulica y la mecánica de fluidos para el diseño de los sistemas de flujo a superficies libres en acueductos.

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MARCO TEORICO Definiciones: COOK R. (1992). Dice que el acueducto es un sistema o conjunto de sistemas de irrigación que permite transportar agua en forma de flujo continuo desde un lugar en el que está accesible en la naturaleza hasta un punto de consumo distante, generalmente una ciudad o poblado. CARLOS ALFREDO E (2012): Manifiesta que diseño hidráulico de acueductos consiste en realizar el dimensionamiento y la forma geométrica del canal en función al caudal que transporta de acuerdo a la demanda de agua requerida por el sistema de riego. El diseño comprende la ingeniería de trazo: alineamiento, pendiente de fondo, secciones transversales, así como la forma y dimensiones de la sección del canal, su revestimiento y la determinación de las características hidráulicas como la velocidad y el tirante que permiten establecer el régimen del flujo de agua en el canal. El diseño hidráulico trata principalmente al cálculo del tirante normal que es el que corresponde para cada descarga en una canal con pendiente de fondo, sección, sección transversal y rugosidad de paredes establecidas JOSÉ MIGUEL ZAVALETA (1996): dice que en un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – canal abierto o a presión -, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, etc) etc. MAXIMO VILLON (2001): Dice para el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la disponibilidad del recurso hídrico (hidrología), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta. De manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y experiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola.

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DISEÑO DE UN ACUEDUCTO En el diseño hidráulico de un acueducto se distinguen dos componentes: a Transición. Aguas arriba y aguas debajo de la estructura. b Tramo elevado o acueducto propiamente dicho. ACUEDUCTO Es un conducto que fluye como canal encima de un puente, diseñada para resistir la carga de agua y su propio peso, para atravesar una vía de transporte o para cruzar una depresión o curso de agua no muy profunda. Es una construcción para la conducción de agua a fin de salvar un desnivel. VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventaja: al cruzar el canal o dren no obstaculiza el flujo libre atreves de ellas Desventaja: su construcción interrumpe durante un periodo considerable al riego lo que hace necesario desvíos correspondientes. CRITERIO HIDRAULICOS a) El diseño hidráulico de un acueducto se hace antes del diseño estructural b) Para el diseño hidráulico, se cambia la sección del canal de sección rectangular y para disminuir su sección se aumenta la pendiente hidráulica. c) Después de diseñar la sección más conveniente se determina las transiciones de entrada y salida para empalmar la sección del canal con la sección del acueducto. ASPECTOS GENERALES i. Ubicación: se debe asegurar que el flujo de agua hacia la estructura sea lo más uniforme posible y debe estar alineado de forma que no sea obstáculo para el canal que pasa ni para el canal que cruza. ii.

Información mínima: se debe conocer las características hidráulicas del canal de riego y la elevación del fondo del canal aguas arriba y aguas debajo de la estructura.

Longitud: Longitud ¿ 20 m……………….… (Análisis especiales) Longitud ≤ 20 m………...……….. (Análisis general) Longitud mínima = 10 m…………

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DISEÑO HIDRAULICO En el diseño hidráulico de un acueducto se distinguen dos componentes: a. Transición. Aguas arriba y aguas debajo de la estructura. b. Tramo elevado o acueducto propiamente dicho A. TRANSICION Es la estructura que permite el cambio gradual de la sección del canal hacia el acueducto o viceversa.

CALCULO HIDRAULICO  Transición de entrada: amplia un cambio gradual en la velocidad, incrementándose a medida que se acerca al acueducto por reducción de área mojada o por disminución del pelo de agua ∆ y . 



Este incremento de velocidad deberá ser tal que permita superar las pérdidas de carga por fricción y transición, generalmente la perdida de carga por friccion en la transición es mínima, por lo que se desprecia, en consecuencia la perdida de carga que prevalece es por transición y ∆ hT ∆ y , ∆ hT queda representado por . En la figura se gráfica: ∆ yE

se calcula con la siguiente ecuación: ∆ y E=∆ h y +C1 ∆ h Y =(1+C 1) ∆ hY

Donde: ∆ h E :disminuciondel pelo de agua ( m ) 2

2

∆ h y :diferencia de carga de velocidad ( m )=(V 2−V 1)/2 g C 1 :Coeficiente de perdida en la entrada(ver tabla) m V 1 :Velocidad de agua en el canal aguas arriba( ) s V 2 :Velocidad del agua en el acueducto(m/s) Tomando como regencia (N.R.) el pelo de agua en el canal y aplicando Bernoulli:

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Z+

2

P1 V 1 P V + =Z 2 + 2 + 2 + ∆ hT γ1 2 g γ2 2 g

P1=P2=P , y 1= y 2= y , Z 1=0, Z 2=−∆ y E P1 V 21 P2 V 22 0+ + =−∆Y E + + + ∆ hT γ1 2 g γ2 2 g ∆ hT

Se estima que

es igual a la diferencia de cargas de velocidad, afectado

de un coeficiente de entrada 2

C1

2

V V ∆ y E= 2 − 1 + ∆ hT 2g 2 g Si: V 22 V 21 ∆ hT =( − )C 1 2 g 2g Luego: ∆ y E=

V 22 V 21 V 22 V 21 − +( − )C 2g 2 g 2g 2g 1

Si: ∆ h y=

V 22 V 21 − 2 g 2g

Luego: ∆ y E=∆ h y +C1 ∆ h Y =(1+C 1) ∆ hY

………..ok

TABLA VALORES DE C1 SEGÚN EL TIPO DE TRANSICION TIPOS DE TRANSICION Curvado Cuadrante cilíndrico Simplificado en línea recta Línea recta Extremo cuadrado

C1 0.10 0.15 0.20 0.30 0.30

Calculo de la cota B o cota 2: Cota B = Cota A + Y1 – ( ∆ YE +Y2) Donde: Y1: Tirante de agua en el canal de aguas arriba (m) Y2: tirante de agua del acueducto (m) ∆ YE: disminución del pelo de agua (m). 9

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

Transición de salida: a la salida del acueducto y por efecto de la transición la velocidad gradualmente se reduce y el pelo de agua se ∆ yS incrementa ( ). Esta elevación de la superficie del agua está acompañada de una perdida de conversión conocida como perdida a la salida. ∆ y S =∆ h y + C0 ∆ hY =(1+C 0) ∆ hY FIGURA

En la figura se gráfica:

∆ yS

y

∆ hT =C 0 ∆ h y

Donde: ∆ y S :incrmento del pelo de agua ( m ) V 22−V 23 ∆hy: … … diferencia de carga de velocidad ( m ) 2g V 2 :Velocidad de agua en elacueducto

( ms )

V 3=V 1 :velocidad de agua en elcanal aguas abajo

( ms )

C0 :Coeficiente de perdiad ala salida

TABLA VALORES DE C0 SEGÚN EL TIPO DE TRANSICION TIPO DE TRANSICION C0 Curvado 0.20 Cuadrante cilíndrico 0.25 Simplificado en line recta 0.30 Línea recta 0.50 Extremo cuadrado 0.75 CALCULO DE LA COTA C Cota C = Cota B –S0L CALCULO DE LA COTA D Cota D = Cota C - [Y3 – (Y2 +

∆ y ¿ ¿=Cota C +Y 2−∆ y −Y 3

Donde: Y3: Tirante de agua en el canal aguas abajo (m) Y2: Tirante de agua en el acueducto (m) ∆ y : Incremento de la superficie (m)

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

Borde libre de la transición

Adyacente al canal  Si el canal es revestido, el borde libre de la transición será igual al borde libre del canal.  Si el canal es sin revestir el borde libre de la transición será : De 0.15 m para De 0.25 m para De 0.30 m para

≤ 0,40 m 0.4 ≤ y ≤ 0.60 0.60 ≤ y ≤ 1.5 y

donde (y) es el tirante del canal.

B. TRAMO ELEVADO o ACUEDUCTO PROPIAMENTE DICHO  Generalmente se construye de concreto armado. Desde el punto de vista constructivo, la sección más apropiada en concreto armado es una sección rectangular. 

La sección hidráulica más eficiente es : b =1 a 3 y



(Para el tramo del acueducto)

Para cualquier relación b/y dentro de este rango, los valores de V, A y P son casi idénticos, siempre que: 0.0001 Q ≤



≤ S0≤

0.1

2.85 m3/s

Estudios realizados muestran que cuando b/y =1,2 o 3 y S 0 ≤ 0.002 Se evita el flujo supercrítico. Un flujo supercrítico representa un flujo inestable en el acueducto.



Se recomienda verificar si el flujo es supercrítico, usando el valor de n (rugosidad) reducido en 20%



S0 debe ser menor de 0,002



Para el cálculo hidráulico se estable que el flujo es uniforme y suscritico. Se usa las fórmulas de chezy u mannig.

CHEZY : MANNING : K √ S=

Q=C . A √ R √ S=K √ S Q=

A 2 /3 1 /2 A 2 /3 R S = R √S n n

A 2 /3 R √S n

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k=

A 2/ 3 R n

Datos para el cálculo hidráulico: Z = 0…………. Por ser de sección rectangular N = 0.014……….. Por ser revestido de concreto b………………….. Lo asumimos y debe ser mayor que b3 del canal (b ¿ b3) S …………………. Lo asumimos y debe ser menor o igual de 0.002 (S ≤ 0

0

0.002) A DISEÑO HIDRAULICO

A.1 CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DEL CANAL A.2 TIPO DE TRANSICION A.3 CÁLCULO DE Yn EN EL ACUEDUCTO A.4 CALCULO DE ∆Ye A.5 CÁLCULO DE LA COTA B A.6 CÁLCULO DE LA SECCION HIDRAULICA DEL ACUEDUCTO A.7 LONGITUD DE TRANSICION A.8 PLANTA Y PERFIL DE LA TRANSICION A LA ENTRADA A.9 SECCIONES TRANSVERSALES DE LA TRANSICION A.10 LONGITUD DEL ACUEDUCTO A.11 CÁLCULO DE LA COTA C A.12 CALCULO DE ∆Ys A.13 CALCULO DE COTA D A.14 PLANTA Y PERFIL DE TRANSICION DE SALIDA

B DISEÑO ESTRUCTURAL

B.1 DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA TRANSICION B.2 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL TRAMO ELEVADO B.2.1 DISEÑO DE LA CAJA DEL ACUEDUCTO Se diseña a su vez en dos fases: I.

Diseño de la losa (fondo) 12

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II.

Diseño de la Viga (lateral)

B.2.2 DISEÑO DE SOPORTE El diseño del soporte se efectua a su vez en tres fases: I.

Diseño de la viga de apoyo

II.

Diseño de la columna

III.

Diseño de la zapata

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