Diseno de Tuneles Funcionando Como Canal PDF

7/18/2019 Diseno de Tuneles Funcionando Como Canal PDF

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I. DISEÑO DE TUNELES FUNCIONANDOCOMO CANAL

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.

Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseos geotécnicos,

estructurales, hidr!ulicos " ambientales necesarios para garantizar su

estabilidad " su funcionalidad.

#e da la utilización de túneles en lossiguientes casos$

• Cuando es necesario pasar el agua de un valle a otro, atravesando el

macizo montaoso que los separa.

• Cuando 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 econom%a.

• Cuando la pendiente transversal es demasiado elevada " el material

de mala calidad, no permiten asegurar la estabilidad del canal abierto.

A. FINALIDAD

&n túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado,

parcialmente lleno. 'a sección del canal puede ser revestida o ecavada "

puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la

sección transversal del túnel.

B. FORMA DE TRABAJO DEL TUNEL'os túneles puedentrabaar a$

1. A gravedad#i tienen una superficie libre a presión atmosférica como los canales

abiertos. *eben 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 (fig+).



2. A presió

#i llenan toda la sección como las tuber%as. ueden tener una alineacióncualquiera con tal de estar por debao de la l%nea piezométrica (fig-).

#e utilizan cuando la captación se hace desde un reservorio, el túnel

es de presión si su entrada se ubica a no menos de -metros por debao

del nivel m%nimo de agua. Al final del túnel se coloca una chimenea de

equilibrio.

C. CRITERIOS DE DISEÑO

•

Acortar el recorrido del agua, con la consiguiente disminución de la

perdida de carga " que dan pocos gastos de conservación pero suinconveniente fundamental es el costo, no obstante el precio de los

túneles de abastecimiento es considerablemente m!s bao que otros

tipos de túnel (carretera, ferrocarril, etc.), debido a su escasa sección,

"a que las dificultades de construcción de los túneles aumentan

mu" fuertemente con el aumento de tamao. A su vez por esta misma

razón la eecución suele hacerse a toda sección, por lo que, en

general, no ser! necesario recurrir a galer%as de avance, ni a

métodos especiales.

• 'as secciones transversales m!s empleadas son la herradura paracanales rodados " la

circular para conducciones a presión, estas secciones deber!n tenerunas dimensiones m%nimas que permitan el trabao relativamente

cómodo en su interior.



• #in embargo es conveniente pro"ectar los túneles de forma que

puedan admitir ampliaciones (caudales sensiblemente ma"ores a

los de pro"ecto), puesto que as% se facilitan los incrementos futuros

del abastecimiento.

• 'os túneles de abastecimiento deber!n estar revestidos para

evitar filtraciones "

pérdidas, pero en el caso de ser un canal completamente cubierto o

contener una o varias tuber%as forzadas en su interior, el túnel podr!

dearse sin revestir.

D. DISEÑO DE LA SECCI!N "TUNELES A #RA$EDAD%

'a forma de la sección de un túnel debe ser tal que para un !rea dada, el

caudal que circula debe ser m!imo " también que resista a las presionesgeneradas en el interior.

'a construcción de túneles as% como la selección de su forma " tipo de

revestimiento est! %ntimamente ligada con la geolog%a, mec!nica de

suelos " rocas, puesto que uno de los datos m!s importantes es la presión

que debe soportar.

F&r'as de se((ió)Di'esi&es M*i'as.

Caso etremo de túnelespequeos



/0+.12, -2 3+.45m /min 0+.45m 2min 6

+.75m

1. T+e,es De Se((ió Cir(-,ar

&n canal semicircular es el m!s conveniente desde el punto de vista

eclusivo de la eficiencia hidr!ulica. #in embargo, este tipo de túneles

para canales es poco usado por las dificultades constructivas que

conlleva. 8l método espaol de 2arrag!n considera la construcción

mec!nica de secciones circulares. #egún dicho ingeniero las secciones

circulares representan una econom%a importante frente a las otras

secciones. 8n todo caso nuestra opinión es que es dif%cil una

generalización " en cada caso debe hacerse un an!lisis técnico9

económico.

Fig. 3 – Desembocadura de túnel de trasvase en el Embalse del Guavio

a. CALCULO .IDRAULICOara el caso del diseo hidr!ulico tomaremos al túnel como si fuera una

tuber%a de sección circular, a continuación eaminemos el caso de un tubo

circular parcialmente lleno$



:ediante simples consideraciones geométricas se puede determinar el

!rea, per%metro " dem!s elementos de la sección transversal ocupada por

el fluido.

'a tuber%a que trabaa parcialmente llena se caracteriza por laposibilidad de tener una velocidad media " un gasto ma"or a los que

corresponder%an a tubo lleno.

8aminemos en primer lugar las condiciones para tener velocidad

m!ima en un tubo parcialmente lleno.

Consideremos una tuber%a cu"o di!metro es * " cu"o radio es r. 8l fluo

corresponde a un tirante ".

#e trata de hallar la relación ";* que da la m!ima velocidad para el fluo,A2 es la superficie

libre, < es el !ngulo en el centro.

'as epresiones correspondientes al !rea, per%metro moado " radiohidr!ulico son$

#i consideramos las fórmulas de :anning o de Chez", o cualquier otra,

para el c!lculo de la velocidad media encontramos que siempre se cumple

que$



ara pendiente " rugosidad constantes, =, dependen de la formulaparticular empleada.

or lo tanto, para que la velocidad sea m!ima se requiere que el

radio hidr!ulico sea m!imo

*e donde$

> es el !ngulo que corresponde a la

velocidad m!ima. #e determina

inmediatamente que$

8l tirante

*e donde

or lo tanto, cuando el tirante es 5,4+* la velocidad es m!ima.



#e 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 ?;* que hace que le gasto sea elm!imo$

8l gasto, si usamos la fórmula de :anning, tiene por epresión

#e observa que para # " n constantes el m!imo valor del gasto

corresponde al m!imo valor de A@-;

*e donde

Bue es el !ngulo que corresponde al gasto m!imo. #e determinainmediatamente que$



8l tirante es

*e donde

or lo tanto, cuando se usa la fórmula de :anning para los c!lculos, el

gasto es m!imo cuando " 0 5,7 *.

#i se hubiera empleado la fórmula de Chez", entonces la condición hubierasido$

? se habr%a obtenido

or lo que cuando se usa la fórmula de Chez" para los c!lculos, el gasto esm!imo cuando "0

5,1*.

2. T+e,es Tip& Ba+,



'a forma de baúl es m!s sencilla de construir. 'a Digura ilustra las

caracter%sticas de un túnel tipo baúl.

'as dimensiones de los túneles deben garantizar la facilidad de su

construcción. 8l ancho " tipo de túnel depender! de las necesidades del

pro"ecto, establecidos por criterios como el caudal " la velocidad.

a. CONSIDERACIONES DE DISEÑO /ARA TUNELES TI/O BAUL

Herradura Estándar

D&de

@0 radio de labóveda

E 0 !ngulo con lahorizontal que hace elradio que toca laintercepción de lasuperficie de con labóveda.

h0d 0 colado del agua

(tirante) A 0 !rea

moada



0 per%metro moado

@ 0 radio hidr!ulico

n 0 coeficiente de rugosidad.

a. Ca,(-,& 0idr1-,i(&

8l !rea moada es igual a$

*onde r es el radio de la bóveda$

β, es el !ngulo con la horizontal que hace el radio que toca la

intersección de la superficie del agua con la bóveda.

d, es el calado (Firante)

de agua. 8l per%metro moado

es igual a$

8l radio hidr!ulico es igual a$

8l caudal es igual a$

#0pendiente.

. Cara(3er*s3i(as 0idr-,i(as de T+e, 3ip& Ba+, para di4ere3es3ira3es "d50%



06r GG G /6r R6r

GG H G ൘ G

- .17 I.-II 5.1++I -.-I+. .17-+ I.I71 5.1+ -.-

+.4 .14J I.1-I 5.17-- -.1

+.J .17- I.711 5.17+ -.J5

+.I .1- I.1 5.117 -.4

+.1 .1- I.-+1 5.1I55 -.7

+.7 .1+I1 I.-5- 5.1I77 -.75-

+. .157 I.+JJ 5.1I47 -.754

+.- .15+4 I.+-+ 5.1J-5 -.7+

+.+ .7J I.5J+I 5.1J17 -.7+J

+.5 .741 I.5-7I 5.1J47 -.7+

+.4 .7JI 1.JJ 5.14+7 -.7-5

+.44 .7II 1.IJ 5.1475 -.7-+

+.4J .71J 1.41 5.14I1 -.7-+

+.4I .77J 1.4111 5.144J -.7-5

+.41 .7I4 4.4+J5 5.154 -.7+4

+.47 .7-I+ 1.JJ1 5.1-4 -.7+I

+.4 .7+1 1.J71 5.17I -.7+7

+.4- .75 1.J545 5.1I -.7+5

+.4+ .-7 1.IJI 5.1J -.75I+.45 .457 1.I 5.17 -.751

+.J5 .-741 1.I- 5.I544 -.5

+.I5 .5IJ 1.5J47 5.I+51 -.-I

+.15 -.-4 7.4-I 5.I5I -.+55

+.75 -.J1+ 7.I547 5.1J +.1-

+.5 -.1I7 7.+4 5.147 +.J4+

+.-5 -.J51 7.+44+ 5.1I1 +.I-

+.+5 -.+J-4 .41J 5.171- +.71

+.55 +.J-4 .J417 5.1-+ +.-45



7. T+e,es Tip& errad-ra

8s frecuente que los túneles se constru"an con una sección diferente de la

circular. &na delas secciones m!s empleadas es la sección en herradura.'a siguientetabla sirve como a"udapara el c!lculo de las secciones en

herradura (horseshoe).

D&de)

? 0 tirante

* 0 di!metro

A 0 !rea

0 per%metro moado

@ 0 radio hidr!ulico

a. /r&piedades 0idr-,i(as de ,as se((i&es e 0errad-ra





8. $e,&(idades De Dise9& EL&s T+e,es

• ara caudales constantes oscila entre +.1 a -.1 m;s, pudiendo admitirse

valores ma"ores cuando el caudal es mu" variable.

• 8n túneles a presión las velocidades

generalmente var%an de -.1 a

7.1 m;s.• @ugosidad$ puede utilizarse$

n$5.5+ ó n$5.5+1

• #i la roca es sana$ n$ 5.57

• 8n túneles que trabaan a

gravedad el tirante no debe

pasar el 41K de la altura total.

• 8l borde libre $ 2' 65.75 m (m%nimo05.5m)

• uede utilizarse$ 2'05K@(debe verificarse)

E. E:/RESI!N DEL CAUDALM;:IMO /ARACUAL<UIERCONDUCTO ABO$EDADO

Ahora eaminaremos la misma condición, pero para cualquier

conductoabovedado. #iempre se tendr! por continuidad que$

*e donde

Bue es la condición de m!imo caudal. *e ac!

Fambién debe cumplirse la ecuación de Chez"



L bien

#i reemplazamos este valor de la velocidad en la ecuación de dM "

adem!s se reemplaza el valor de dM obtenido de la ecuación de Chez" se

llega a$

Bue es la ecuación diferencial que fia la condición de gasto

m!imo en cualquier conductoabovedado en el que se calcule el gasto

con la fórmula de Chez".

#i hubiéramos usado la fórmula de :anning se habr%a obtenido que

el gasto m!imo paracualquier conducto abovedado est! dado por$

F. E:/RESI!N DE LA $ELOCIDAD M;:IMA /ARACUAL<UIER CONDUCTO ABO$EDADO

8n cualquier conducto abovedado debe cumplirse que$

*e donde

Bue es la condición de m!ima velocidad en cualquier conducto

abovedado. 8sta ecuación nodepende de la fórmula empleada para el

c!lculo de la velocidad.



*e igual forma pueden obtenerse las ecuaciones para otras formas de

sección.

'a velocidad de diseo en los túneles oscila entre +,1 " -,1 m;spara caudalesconstantes, pudiendo admitirse valores ma"ores cuando elcaudal es mu"variable. 8n los túneles a presión las velocidades generalmentevar%an de -.1 m;sa 7.1 m;s. Fomando en cuenta que el revestimiento generalmentese realiza conencofrados met!licos que producen superficies bastante lisas, elcoeficiente de

rugosidad se toma entre n05.5+ " n05.5+1.



CA R AC T ER =S T IC A S # E OM > T R ICA S E ID R ; U L IC A S DE T? N E L E S

1.1. T?NEL COLCA @ UAMBO "/ROECTO MAJES%

1.2. T+e, INTERCUENCAS "/ROECTO C.A$IMOC.IC%



1.7. T?NEL TRASANDINO "/ROECTO OLMOS%



1.8. T?NEL LLAUCANO "/ROECTO TINAJONES II%

2. TUNELES IM/ORTANTES EN EL MUNDO

2.1. TUNEL BELLEDONE "ARC ISERE FRANCIA%'ongitud 0 +4.-5 =mCobertura m!ima 0-.5 =m *i!metro 01.45 m Femperatura0 1NC8ecución 0 Aos +J7 O +J4

D@8PF8 *8'LPRSF&

*:8FL*L

*8AMAPC8@L:8*SL

'ado 4.-5 convencional +74

'ado +5.5 Con F2: -57

2.2. EUROT?NEL)

a. Fúnel que une las ciudades de Drancia " Rran 2retaa, bao la mancha.

b. #ituado a -75 m bao el nivel del mar en su punto m!s profundo " a

+55 m por debao del lecho del estrecho de Fsugaru que separa las dos

islas.

c. Fúnel Derroviario doble, de 15 Tm de longitud por cada

túnel gemelo. d. *i!metro $ J.I5 m



e. Frabaaron$ +5 555 hombres

por frente. f. Avance de

perforación$ J55 m; :es.

g. Costo$ +1 2illones de *ólares

h. Costo de F2: usados$ U +5 O +7 mió (&#*)

2.7. T?NEL SIM/LON

a. 8s el túnel m!s largo que ha" en 8uropa, para tr!fico ferroviario

entre Stalia " suiza. b. 'ongitud$ -5 =m.

2.8. T?NEL SEIAN

a. 8s el túnel m!s largo del mundo que enlazar! por tren " bao el agua

dos de las cuatro islas importantes del Qapón$ /o=aido, " /onshu, donde

se asiéntala capital de Fo=io.

b. 'ongitud$ 17 =m.

c. Framo bao agua$ I.1 =m (ma"or que el del 8urotúnel, que

es de -. Tm). d. eriodo de construcción$ 7- aos.

e. 8s una obra gigantesca, considerado el pro"ecto m!s importante delsiglo pasado.

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