Sesión de Clase A dde sistemas de riego y otras obras
INFORME-OBRAS HIDRAULICAS - 3 - EXPO.pdf
1. Año del Bicentenario, de la consolidación de nuestra Independencia, y de la
conmemoración de las heroicas batallas de Junín y Ayacucho
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Tema de investigación:
OBRAS DE CONDUCCIÓN - TÚNELES
GRUPO 3 - INTEGRANTES
AYALA GARCIA, Santiago del Piero
DE LA CRUZ PAREDES, Rini Jackeline
MONTES ROBLES, Marcos Martin
PALACIOS REYNOSO, Carla Camila
SORIA ARIZA, Nahiely Georgiana
ASESOR:
EDGAR GUSTAVO SPARROW ALAMO
EXPERIENCIA CURRICULAR:
DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS
CHIMBOTE - PERÚ
2024
3. 1. INTRODUCCIÓN
En el ámbito de la ingeniería hidráulica y civil, las obras de conducción desempeñan
un papel crucial en el manejo y transporte eficiente del agua, siendo elementos
fundamentales para el desarrollo sostenible de las sociedades. Entre las diversas
estructuras de conducción, los túneles representan una solución técnica y económica
para superar obstáculos naturales como montañas, ríos y zonas urbanizadas,
facilitando el transporte de agua a largas distancias con mínimas interferencias
ambientales y sociales.
Los túneles de conducción, diseñados con precisión y tecnología avanzada, permiten
garantizar un flujo continuo y controlado del agua, asegurando la distribución
equitativa de este recurso vital para la agricultura, el abastecimiento urbano, la
generación de energía hidroeléctrica y otros usos industriales. Además, los túneles
ofrecen una mayor protección contra los fenómenos climáticos extremos y minimizan
las pérdidas por evaporación y filtración, optimizando así la gestión y conservación de
los recursos hídricos.
En este contexto, el presente informe se enfoca en analizar y explorar las
características, diseño, construcción, operación y mantenimiento de los túneles como
obras de conducción en el ámbito de la ingeniería hidráulica. A través de este análisis,
se busca proporcionar una visión integral de los túneles como estructuras vitales en
la infraestructura hidráulica, destacando su importancia, aplicaciones, desafíos y
beneficios en el contexto actual de desarrollo y gestión sostenible de los recursos
hídricos.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Analizar de manera integral las obras de conducción a través de túneles, con
énfasis en su diseño, construcción, operación y mantenimiento, para comprender
su importancia y contribución en la gestión eficiente de los recursos hídricos y el
desarrollo sostenible de las infraestructuras hidráulicas.
2.2. Objetivos Específicos
- Investigar y describir los diferentes tipos de túneles utilizados en obras de
conducción, considerando aspectos como su diseño estructural, materiales
empleados, dimensiones y aplicaciones específicas en proyectos hidráulicos.
4. - Explorar las etapas clave en el proceso de diseño, construcción y operación
de túneles de conducción, identificando las técnicas constructivas,
metodologías de excavación, sistemas de revestimiento, equipamiento y
sistemas de control utilizados en su implementación.
- Evaluar el desempeño y la eficiencia de los túneles de conducción en la
distribución, almacenamiento y transporte de agua, así como su impacto en
la conservación de los recursos hídricos, la prevención de pérdidas y la
minimización de impactos ambientales y sociales en el entorno circundante.
3. MARCO TEÓRICO
3.1. Definición
Las obras de conducción a través de túneles se refieren a las estructuras
subterráneas diseñadas y construidas para transportar fluidos, principalmente
agua, a lo largo de distancias significativas, superando obstáculos geográficos
como montañas, valles o áreas urbanizadas. Estos túneles son fundamentales en
la ingeniería hidráulica para garantizar la distribución eficiente y controlada del
agua en sistemas de abastecimiento, riego agrícola, generación de energía
hidroeléctrica y otros usos industriales.
Los túneles de conducción se caracterizan por su diseño robusto y resistente,
adaptado a las condiciones geológicas del terreno, utilizando técnicas de
excavación especializadas y revestimientos adecuados para garantizar la
estabilidad, durabilidad y seguridad de la estructura. Además, estos túneles
incorporan sistemas de control y monitoreo para gestionar el flujo de agua,
minimizar las pérdidas por filtración y garantizar la operación continua y fiable del
sistema.
3.2. Tipos de Canales
3.3. En las obras de conducción de túneles, se pueden utilizar diferentes
tipos de canales para diversos propósitos. Algunos de los tipos de
canales comunes en obras de conducción de túneles incluyen:
● Canal de drenaje: Este tipo de canal se utiliza para drenar el agua
de lluvia u otras fuentes de agua que puedan acumularse dentro
del túnel. Ayuda a prevenir inundaciones y a mantener el túnel
seco y seguro para su uso.
5. ● Canal de Ventilación: Los canales de ventilación se utilizan para
proporcionar una circulación adecuada de aire dentro del túnel.
Ayudan a mantener una buena calidad del aire y a evacuar humos
y gases nocivos en caso de emergencia.
6. ● Canal de Cableado: En algunos casos, se pueden instalar canales
específicos para el tendido de cables eléctricos o de comunicación
dentro del túnel. Estos canales aseguran que los cables estén
protegidos y organizados, facilitando el mantenimiento y la
reparación.
● Canal de Transporte: Algunos túneles pueden contar con canales
especiales para el transporte de materiales, equipos o personal
dentro de la obra. Estos canales facilitan la logística y el
movimiento de recursos durante la construcción o mantenimiento
del túnel.
7. 3.4. Criterios de Elección
En la elección de obras de conducción en túneles, se consideran varios criterios
fundamentales para garantizar la seguridad, eficiencia y durabilidad de la infraestructura.
Algunos de los criterios clave incluyen:
- Geología del Terreno: Es crucial evaluar la geología del terreno donde se construirá
el túnel. Se deben considerar factores como la estabilidad del suelo, la presencia de
fallas geológicas, la resistencia del terreno y la posibilidad de inundaciones.
- Longitud y Diámetro del Túnel: La longitud y el diámetro del túnel dependerá de la
cantidad de tráfico que se espera, el tipo de vehículos que circularán por él y la función
del túnel (carretera, ferrocarril, etc.).
- Capacidad de Carga: Es importante que el túnel tenga la capacidad de soportar la
carga de los vehículos que transitan por él, así como cualquier otra carga adicional
que pueda surgir.
- Método de excavación: La elección del método de excavación dependerá de la
geología del terreno, la velocidad de construcción requerida y otros factores. Algunos
métodos comunes incluyen el método tradicional de perforación y voladura,
tuneladoras, entre otros.
8. - Sistemas de Ventilación y Seguridad: Los túneles deben contar con sistemas de
ventilación adecuados para garantizar la calidad del aire y la seguridad de los usuarios
en caso de emergencias.
- Drenaje y Sistema Contra Incendios: Es fundamental tener un sistema de drenaje
eficiente para evitar inundaciones y un sistema contra incendios para proteger a los
usuarios en caso de emergencias.
- Costos y Tiempo de Construcción: Se deben evaluar los costos de construcción y
el tiempo necesario para completar la obra, considerando la viabilidad económica del
proyecto.
4. DISEÑO HIDRÁULICO
El diseño hidráulico en túneles de conducción de agua es crucial para
garantizar un transporte eficiente y seguro del flujo de agua a lo largo del
túnel.
1. Caudal de Diseño:
El caudal de diseño es el primer parámetro a considerar en el diseño
hidráulico del túnel. Este caudal se calcula multiplicando el área transversal
del túnel por la velocidad media del flujo. La fórmula general para el caudal
(q) es:
Donde:
● q es el caudal de diseño.
● A es el área transversal del túnel.
● V es la velocidad media del flujo.
9. 2. Velocidad del Flujo:
La velocidad del flujo dentro del túnel es un parámetro crítico que debe
mantenerse dentro de rangos seguros para evitar la erosión del material
del túnel y garantizar un transporte eficiente del agua. La velocidad del flujo
se calcula utilizando la ecuación de continuidad, que relaciona el caudal (q)
con el área transversal del túnel (A). La ecuación es:
3. Rugosidad de las Paredes del Túnel:
La rugosidad de las paredes del túnel es un factor importante que afecta la
fricción del flujo y, por lo tanto, la pérdida de carga a lo largo del túnel. Se
caracteriza mediante el coeficiente de Manning (n) en la fórmula de
Manning, que relaciona la velocidad del flujo (V) con el radio hidráulico (R)
y la pendiente del canal (S). La ecuación es:
4. Pérdida de Carga:
La pérdida de carga a lo largo del túnel debido a la fricción del flujo es otro
aspecto crítico del diseño hidráulico. Utilizamos la ecuación de Darcy-
Weisbach, que considera factores como la longitud del túnel (l), el diámetro
hidráulico (D), la velocidad del flujo (V) y el factor de fricción (f), expresada
como:
10. 5. Modelado Hidráulico:
El modelado hidráulico es una herramienta invaluable que permite simular
el comportamiento del flujo dentro del túnel y proporciona información
detallada sobre la distribución de la velocidad del flujo, la pérdida de carga
y otros parámetros importantes. Esto ayuda en el diseño y la optimización
del túnel para garantizar un funcionamiento seguro y confiable del sistema.
5. CONSTRUCCION DE TUNELES
Excavación
Lo primero es la apertura y subsiguiente excavación del túnel, donde para esto
existen distintos métodos.
Se puede horadar la roca o formación montañosa por medios mecánicos,
voladura o manualmente, contándose para cada modalidad con tecnología
punta que permite un trabajo profesional. Dependiendo de la dureza del macizo
a intervenir, conviene el uso de maquinarias o explosivos para reducir la roca.
Entre los medios mecánicos tenemos las máquinas excavadoras, que pueden
clasificarse en rozadoras, tuneladoras y martillos de impacto, entre otras. Las
más eficaces pueden resultar las tuneladoras o topos, pero son costosas –
incluso fabricadas bajo pedido–, por lo que se justifican generalmente en un
proyecto de túneles de largas distancias.
Por otra parte, el uso de voladuras se aplica a rocas cuyas durezas lo justifica.
No obstante, se combina con métodos de perforación para la instalación del
11. material explosivo siguiendo ciertos patrones establecidos para lograr una
apertura controlada.
Se debe calcular de forma precisa la cantidad de explosivos, dirección,
sistemas de detonación y diámetros de perforación necesarios para un
resultado ajustado a lo proyectado.
Posteriormente a la voladura se realiza el saneamiento de la zona y el retiro
del material desplazado. Cabe la posibilidad de hacer ajustes a medida que
avanza la obra.
Impermeabilización
Este proceso es de suma importancia, ya que será lo que garantice la
permanencia en el tiempo de la obra, porque las filtraciones atentan
directamente contra la consistencia de los materiales que posteriormente se
apliquen a modo de revestimiento.
Para impermeabilizar tanto la bóveda como los hastiales (paredes del túnel) se
tienen varias opciones: Si el agua hace presencia por la porosidad del terreno,
se deberá impermeabilizar toda la construcción subterránea, usando pinturas
o mantos impermeabilizantes.
En el caso de zonas más saturadas, se debe desviar el agua para que no
genere presiones en la estructura a través de drenajes.
12. En aguas subterráneas se usa una impermeabilización flexible, cerrada y
resistente a la presión de dicha agua, que pueden ser membranas o láminas
geotextiles impermeables e incluso morteros hidrófugos.
Revestimiento
El revestimiento del túnel le confiere consistencia a la bóveda y evita
desplazamientos o deslaves indeseados en terrenos inestables o con poca
consistencia, que puedan producirse debido a las perforaciones realizadas en
la etapa de excavación.
Consolida la estructura a través del uso del hormigón proyectado o por medio
de carros de encofrados metálicos hechos a medida. Estos pueden introducirse
para confinar la bóveda y los hastiales, mientras se continúa la excavación e
impermeabilización de los tramos restantes.
Obras civiles
La última etapa de la construcción de túneles y de cualquier proyecto de
ingeniería es completar las obras civiles que ameritan la infraestructura
realizada.
13. Señalizaciones, calzadas, iluminación, electrificación, instalación de sistemas
de ventilación, contra incendios y de seguridad, son algunas de las labores que
se realizan en esta última etapa, para entonces darle operatividad a la obra y
ponerla en pleno funcionamiento.
6. EJEMPLO APLICATIVO
Determinar la pendiente y la sección de un túnel tipo baúl de 𝐻/𝐵 = 1.5 , que debe
transportar un caudal de 5 . Analizar las alternativas con (𝑛 = 0.014) y sin
revestimiento (𝑛 = 0.04).
𝑦/𝐻 < 0,85
𝑠𝑒𝑛 𝛽 = 0,55
Teniendo en cuenta que: 𝐻 𝑚í𝑛 = 1.8 𝑚 ; 𝐵 𝑚í𝑛 = 1.3 𝑚
𝐻 = 2,1 𝑚 ; 𝐵 = 1.4 𝑚
𝐻
𝐵
=
2,1
1,4
= 1,5
𝐵 = 2𝑟 = 1,4
𝑟 = 0,7 𝑚
15. En excel se realizaron los cálculo con los dos coeficiente de rugosidad 𝑛 = 0.014 ;𝑛 = 0,04
Coeficient
e de
rugosidad Caudal Radio Tirante
Altura de la
sección Base H/B Área
Perímetro
mojado
Radio
Hidraulico Velocidad Pendiente k1 k2 k3 k4 Borde libre
n Q (m3/s) r (m) y (m) H (m) B (m) A (m2) P (m) R V (m/s) S
BL min =
0,3 m
Con
revestimie
nto
0,014 5 0,65 1,6575 1,95 1,3 1,5 2,12 4,52 0,47 2,36 0,003 5,01 6,95 0,72 4,03 0,2925
0,014 5 0,7 1,7850 2,1 1,4 1,5 2,46 4,86 0,51 2,03 0,002 5,01 6,95 0,72 4,03 0,3150
0,014 5 0,75 1,9125 2,25 1,5 1,5 2,82 5,21 0,54 1,77 0,001 5,01 6,95 0,72 4,03 0,3375
Sin
revestimie
nto
0,04 5 0,77 1,9635 2,31 1,54 1,5 2,97 5,35 0,56 1,68 0,010 5,01 6,95 0,72 4,03 0,3465
0,04 5 0,8 2,0400 2,4 1,6 1,5 3,21 5,56 0,58 1,56 0,008 5,01 6,95 0,72 4,03 0,3600
16. 7. CONCLUSIONES
En el desarrollo de este estudio, se ha logrado analizar de manera integral las
obras de conducción a través de túneles, destacando su diseño, construcción,
operación y mantenimiento. Se ha evidenciado su importancia crucial en la
gestión eficiente de los recursos hídricos y su contribución significativa al
desarrollo sostenible de las infraestructuras hidráulicas.
Se ha logrado identificar y describir los diferentes tipos de túneles utilizados en
obras de conducción, abordando aspectos como su diseño estructural,
materiales empleados, dimensiones y aplicaciones específicas en proyectos
hidráulicos.
Se ha llevado a cabo un análisis exhaustivo de las etapas clave en el proceso
de diseño, construcción y operación de túneles de conducción, identificando
las técnicas constructivas, metodologías de excavación, sistemas de
revestimiento, equipamiento y sistemas de control utilizados en su
implementación.
Se ha evaluado el desempeño y la eficiencia de los túneles de conducción en
la distribución, almacenamiento y transporte de agua, así como su impacto en
la conservación de los recursos hídricos, la prevención de pérdidas y la
minimización de impactos ambientales y sociales.
17. 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Acuña-Fallas, I. (2012). Planeamiento Constructivo del Revestimiento del Túnel de
Conducción Principal del Proyecto Hidroeléctrico Balsa Inferior. Instituto Tecnológico
de Costa Rica. https://repositoriotec.tec.ac.cr/handle/2238/6074
Marengo Mogollón, H., Cortés Cortés, C., & Arreguín Cortés, F. I. (2008). Análisis
hidráulico experimental en túneles de conducción en sección baúl trabajando como
canal, considerando rugosidades compuestas. Tecnología Y Ciencias Del Agua,
23(1), 21-44. https://www.revistatyca.org.mx/ojs/index.php/tyca/article/view/158
Procedimientos constructivos para la construcción de túneles. (2018, 22 de mayo).
Ingeniería CA&CCA. https://www.caycca.com/procedimientos-construccion-tuneles/
