UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTINFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA

E.A.P. INGENIERIA CIVIL

DISEÑO HIDRAULICO DE ACUEDUCTOS

IRRIGACIÓN

TARAPOTO – PERÚ 2012 - I

DOCENTE : Dr. Ing. JOSE DEL C. PIZARRO BALDERA

INTEGRANTES

• AMASIFEN FLORES, Willy……………….……… 083140• IZQUIERDO VASQUEZ, Rusber Augusto…………083154• JARAMILLO DELGADO, Janneth…………………083155• MENDO TENAZOA, John Ivan…………………….083159• PIZANGO TELLO, Poul Gerard…………………… 083161• RUIZ PAREDES, Walter Cesar.……………………..063128• SOLORZANO BERNALES, Gino Alonso………….083165• VELAYARCE LLANOS, Segundo………………….083169

I. INTRODUCCION

Cuando en la trayectoria de un canal se presenta una depresión en el terreno natural se hace necesario superar esa depresión con un sifón o con un puente canal o acueducto. La decisión que se debe tomar sobre cual de las dos estructuras es mejor en un caso determinado depende de consideraciones de tipo económico y de seguridad.

ACUEDUCTOS ROMANOS

Quizá esto se debiera a que el agua del Tíber ya no era suficiente para una población cada vez más grande, o quizá a que existía el peligro de que el enemigo envenenara su única fuente, pero lo cierto es que a consecuencia de ello, en el año 312 a.C. se construye el Aqua Appia, primer acueducto, la cual media unos 16 Km. de largo y la mayor parte de su recorrido era subterráneo.

En la antigua Roma, la fuente del suministro de agua para su población fue el río Tíber, pero a finales del siglo IV a.C., cuando los romanos luchaban en la Segunda Guerra Samnita, se encontraron con la necesidad de un suministro alternativo.

El agua era llevada a Roma por una red de 420 Km. de canales y tuberías desde manantiales, lagos y ríos situados en las montañas de los alrededores; el suministro era continuo, pues no había manera de regularlo. Para los romanos, fue el acueducto uno de sus logros más perfectos.

ACUEDUCTOS ROMANOS

II. OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES.

• El objetivo central del presente capítulo, es la descripción de los distintos componentes de un acueducto, así también como criterios y procedimientos de calculo para el dimensionamiento en el diseño hidráulico de obras de arte en un sistema de riego.

• Tener los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la determinación del cambio brusco de pendiente en depresiones y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto específico de un canal.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

• Conocer las funciones y las ventajas que cumple un acueducto en un sistema de riego.

• Conocer los criterios que debemos asumir para ubicar en el campo una posible construcción de un acueducto en un sistema de riego.

• Familiarizarnos con las formulas mas usadas en el calculo de dimensiones de un acueductos.

• Evaluar las posibilidades económicas y las condiciones naturales del terreno como criterios para el calculo hidráulico.

ACUEDUCTOS.El acueducto es un conducto, que fluye como canal de un puente diseñado, 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 profundo.

III).- CONSIDERACIONES GENERALES.

Dependerá de la topografía, las soluciones estructurales que pueden darse al puente, se diseñan: de concreto armado con vigas de varios tramos, puentes colgantes, de tipo arco, de concreto armado ciclópeo (acueductos romanos), tubos metálicos, y con soporte de madera.

El puente canal debe dejar espacio suficiente para permitir que discurran las máximas avenidas en el cauce que cruza, igualmente si el puente tiene varios pilares, producirá relanzamientos y socavaciones que conviene tenerlas en cuenta.

Dado que generalmente el acueducto es un canal con revestimiento, se aumenta la pendiente del tramo para reducir su sección, en otros casos la solución estructural se aprovecha para diseñar un puente cajón, en el cual la loza superior es empleada como puente carretero.

Los apoyos del puente deben calcularse teniendo en cuenta todas las cargas y asegurar que soporten todos los esfuerzos de la superestructura. Los apoyos extremos se llaman estribos y los interiores pilares.

En algunos casos se diseñan secciones rectangulares con altura 1.5 veces del ancho y cada cierto tramo se unen las vigas laterales con vigas arriostradas.

El diseño hidráulico del acueducto, es simple dado que bastara diseñar una sección de canal rectangular de preferencia con pendientes aproximadas de 0.001.

Luego diseñar las transiciones para empalmar las secciones del canal de aguas arriba y del canal de aguas abajo si fueran diferentes.

En el caso, que se optara por un acueducto con varios conductos circulares, en los extremos será necesario proyectar tanques o cámaras para mejorar su funcionamiento.

Es importante determinar el ancho de acueducto, que no produzca remanzamientos en el canal de aguas arriba, para lo cual se debe verificar mediante la fórmula de bernoulli los niveles de flujo.

El acueducto es considerado una de las más importantes obras de ingeniería de la América precolombina y demuestra el avance de la cultura chavín. 

En el caso de cruce con vías de trasporte se usara acueductos cuando la rasante de la vía permita una altura libre para el paso de los vehículos de transporte, en especial camiones de carga.

Si el agua transportara materiales sólidos, convendrá aumentar la pendiente para evitar deposiciones.

PUENTE CANAL.

Estructuras de cruce.Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstáculo que se encuentra a su paso. El obstáculo puede ser por ejemplo:

• Una vía de ferrocarril.• Un camino.• Un rio.• Un dren.• Una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno.

Para salvar el obstáculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que puede ser:• Puente canal.• Sifón invertido.• Alcantarilla.• Túnel.

Elección del tipo de estructurada

1).- Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se puede usar un túnel.

2).- Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce un puente canal o un sifón invertido.

El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso de vehículos en el caso de caminos o ferrocarriles, o el paso del agua en el caso de canales, drenes, arroyos o ríos.

Es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. La depresión puede ser otro canal, un camino , una vía de ferrocarril o un dren.

Definición de un puente canal.

1. Transición de entrada. Une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente del canal, lo cual provoca un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal.

2. Conducto elevado. Generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. La pendiente de este conducto, debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal, a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. Debe procurarse que en el conducto el flujo sea subcrítico.

3. Transición de salida. Une el puente canal (acueducto) con el canal.

Elementos hidráulicos de un puente canal.

Consideraciones para el diseño hidráulico.

1).- MATERIAL

para la construcción del puente canal puede ser:

Concreto, madera, hierro, u otra material duro, lo cual nos permite elegir el coeficiente de rugosidad.

2).- FORMA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL

Por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.

3).- UBICACIÓN DE LA SECCIÓN DE CONTROL.Por lo general, un puente canal, se diseña para las condiciones del flujo subcritico ( aunque también se puede diseñar para flujo supercritico) , por lo que el puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba.

• Para el diseño hidráulico de esta estructura es suficiente cambiar la sección de canal por un

• canal de sección rectangular y para disminuir su sección aumentar la pendiente hidráulica.

• Con este objeto después de diseñar la sección más conveniente del acueducto se determina las transiciones de entrada y salida para empalmar la sección del canal con la sección del acueducto y respectivamente a la salida.

• La información mínima para el diseño hidráulico consiste de:

- Las características hidráulicas del canal de riego.

- Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura.

• En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de agua hacia la estructura sea lo más uniforme posible, orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea obstáculo ni para le canal que pasa por el ni para le canal que cruza.

• Un acueducto se diseña para las condiciones del flujo subcrítico (aunque también se puede diseñar para flujo supercrítico), por lo que el acueducto representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba.

IV).- CRITERIOS HIDRÁULICOS

Diseño del conducto elevado

• Por condiciones económicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso, flujo subcrítico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles se diseñan para condiciones cercanas a las críticas.

• Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones.

PROCEDIMIENTO N°1

CALCULO DE LA TRANSICION DE SALIDA

CÀLCULO DE LA CURVA DE REMANSO

• Las pérdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) corresponden a las pérdidas por cambio de dirección, siendo su ecuación:

CALCULO DE LAS PERDIDAS EN LAS TRANSICIONES

CALCULO DE LA ALTURA DE REMANSO

EJERCICIO N° 01Calculo Del Diseño Hidráulico De Un Acueducto:1.-Características Del Canal Principal: Hidráulicas: Geometría:Q = 1.50 m3/s B = 3.30mY = 0.987m b = 0.80mA = 1.764m2 H = 1.25mP = 3.592m Z = 1.00R = 0.491m e = 0.075mV = 0.85m/sS = 0.0005n = 0.016

2.- Tramo A Diseñar:El tramo a diseñar y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo será de 76.00m. 3.- Cálculo Del Acueducto:3.1.- Cálculo de la sección del flujo en el acueducto:V = 1.00m/s; Q = 1.50m3/sA = Q / V A = 1.50 / 1.00 = 1.50m2

A = b*y b (asumido) = 1.20m = y = 1.25m

3.2.- Cálculo del tipo de flujo en el acueducto: -Caudal unitario (q ): q = Q / bq = 1.50 /1.20 = 1.25m3/s/m-Tirante critico (Yc) Yc = (q2/g) 1/3

Yc = (1.252 / 9.8) 1/3 = 0.54m-Velocidad critica (Vc) V = Q / Ac ; Ac = b*YcV = 1.50 / 0.65 = 2.31m/s si Yc < Yn y Vc > Vn tipo de

flujo subcrítico

3.3.- Cálculo De La Longitud De Transición:Lt = (T1 – T2) / 2tg 12° 31’T1 = 2.77m ; T2 = 1.20mLt = (2.77 – 1.20) / 2tg 12° 31’ = 3.54m Lt =

4.00m-Nueva progresiva (KM)Progresiva inicial = KM 03 + 620Pogresiva final = KM 03 + 704

3.4.- Cálculo del dimensionamiento longitudinal del Acueducto:

Determinación de cotas:Cota inicial = 238.51 en la progresiva KM 03 + 620Cota final asumida = 238.41 en la progresiva Km. 03 +

624 (cota de inicio del acueducto). 3.5.- Análisis HidráulicoSegún Bernoulli

3.6.- Balance De Energía Entre 1 Y 2E1 = E2 + perdidas de cargaE1 = Cf1 + y1 + V12/2gE1 = 238.51 + 0.987 + 0.852/19.6 E1 = 239.53Perdida de carga = 0.20*(V22 – V12)/2gPc = 0.20*(V22 – 0.007)E2 = Cf2 + y2 + V22/2g = 238.41 + y2 + V22/2gReemplazando en Bernoulli239.93 = 238.41 + y2 + V22/2g + 0.20*(V22 – 0.007) 1.127 = y2 + 1.502/1.2*y22*19.6 Por tanteos:y2 = 1.038mA2 = 1.20*1.038 = 1.25m2

V2 = 1.50 / 1.25 = 1.20m/sE2 = 239.521

3.7.- Determinación de la pendiente del acueducto (S)

S = (Vn/R2/3 )2

S = (1.20*0.016/0.3822/3)2 = 0.0013A2 =1.25P2 = 3.276R2 = 0.382S = 0.0013

3.8.- Cota de la plantilla en 3:Cf3 = Cf2 – S*LCf3 = 238.41 – 0.0013*76Cf3 = 238.311 3.9.- Balance de energía entre 2 y

3:E2 = E3 + perdidas por fricciónE2 = 239.521E3 = Cf3 + y3 + V32/2gE3 = 238.311 + y3 + V32/2gpf = 0.0013*76 = 0.0988

239.521 = 238.311 + y3 + V32/2g + 0.09881.1112 = y3 + V32/2gResolviendo por tanteoA3 = 1.25m2

V3 = 1.20m/sY3 = 1.038mE = 239.521

3.10.- Balance de energía entre 3 y 4: E3 = E4 + perdidas por transición de salidaE3 = 239.521E4 = Cf4 + y4 + V42/2gCf4 = E4 - y4 - V42/2g = 239.521 – 0.036 – 0.987Cf4 = 238.498 Perdida total Ptotal1-4 = 238.31 – 238.498 = 0.012

3.11.- calculo de la cota de rasante de la siguiente progresiva: progresiva de salida KM 03 +704 hasta Km 03 +720 existe 16m entonces la cota será de 238.498 con una pendiente de S =

0.0005

1. Borde Libre

• El borde libre para la transición en la parte adyacente al canal, debe ser igual al bordo del revestimiento del canal en el caso de un canal en el caso de un canal revestido, en el caso de un canal en tierra el borde libre de la transición será.

- 0.15 m, para tirantes de agua hasta 0.40 m

- 0.25 m, para tirantes de agua desde 0.40 m hasta 0.60 m

- 0.30 m, para tirantes de agua desde 0.60 m, hasta a1.50 mts

• El borde libre de la transaccion en la parte adyacente al acueducto, debe ser igual al borde libre del acueducto mismo.

2. El Tramo Elevado

• La sección hidráulica mas eficiente es aquella cuya relación entre el ancho (b) y el tirante (y) esa entre 1.0 y 3.0. Para cualquier relación b / y en este rango, los valores del área mojado, velocidad y perímetro mojado son casi idénticos, cuando la pendiente del fondo del acueducto varia entre 0.0001 y 0.100 y para caudales pequeños hasta 2.85 m3 / seg.

• Estudio realizadas muestran que, con una relación b/y igual a 1, 2 o 3, la pendiente del acueducto no debe ser mayor de 0.002 para evitar un flujo supe critico. Usando un valor para el factor de rugosidad (n), reducido en un 20%, se recomienda verificar si el flujo no se acerca mucho al flujo supe critico, para evitar un flujo inestable en el acueducto.

3. Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión.

• Cuando una estructura que conduce agua desemboca en un canal en tierra, se necesita siempre una protección en los primeros metros del canal para evitar que ocurra erosión: Para el diseño de la protección se tiene que saber lo siguiente:

* La velocidad del agua en la estructura

* La velocidad del agua en el canal

* La granulometria del material del canal

* El ángulo de talud del canal• En el diseño de la protección se puede distinguir dos fases:

1. Determinar la longitud necesaria de la protección;2. Determinar las características de la construcción, o sea el peso y el tamaño del material requerido para la protección.

IV. CONCLUSIONES,• Las obras de arte son estructuras que facilitan el funcionamiento de los

sistemas de riego ya que aumentan la eficiencia de conducción y hacen que el canal trabaje en condiciones de flujo normales tal como es el caso de una acueducto.

• Con la realización del presente trabajo se comprende que el diseño de estructuras especiales, tales como un acueducto, nos permite una formación integral en cuanto al campo de la ingeniería en estructuras hidráulicas.

• Aunque no obtengamos en una sola experiencia los criterios para el diseño de tipo de obra de arte, lo que aprendimos nos servirá para el futuro ya que tendremos una buena base para dar solución en cuanto a riego se refiere.

• Los acueductos permite solucionar el paso a desnivel debido a las depresiones que se presentan en la topografía de un determinado terreno de las aguas que provienen de una fuente a través del canal principal aguas abajo, de esta manera se evita construir un sifón que en este caso económicamente seria mas costoso.

• Normalmente desde 10 a 15 metros se usan acueductos en forma de vigas rectas sobre pilas, para luces mayores cuando las pilas se hacen muy altas, siempre que el terreno lo permita, se hacen acueductos en forma de arcos.

V. RECOMENDACIONES.• Las obras de arte en sistemas de riego, como es el caso de un acueducto se deben diseñar

de una manera tal que eleven la eficiencia de todo el sistema y que aminoren los costos de mantenimiento, deben colocarse en sitios estratégicos y ser dimensionados adecuadamente.

• El desarrollo de dimensionamiento de un acueducto se debe hacer en concordancia a las normas técnicas vigentes y la buena practica de la ingeniería estructural, ingeniería hidráulica y la ingeniería mecánica requerida para garantizar el buen funcionamiento del acueducto.

• Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin de evitar acumulación de sedimentos, rocas y malezas de arbustos que podrían afectar el funcionamiento adecuado del acueducto.

• En general el diseño de la obra de arte debe considerar los siguientes aspectos:

1).- No debe generar perturbaciones excesivas.

2).- No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras.

3).- No debe generar cambios bruscos en la dirección general de escurrimiento.

4).- Debe devolver las aguas en exceso al río sin originar solicitaciones que excedan las que puede resistir el medio físico.

• Para la construcción de lo pilares deben hacer un previo estudio de suelos y un control de calidad del material para que sostenga de manera eficiente a la caja del acueducto.

VI. BIBLIOGRAFIA.• Máximo VILLON BEJAR. “Diseño de Estructuras

Hidráulicas”. Instituto Tecnológico de Costa Rica. Escuela de Ingeniería Agrícola. Lima – Perú, 2006.

• Hugo Amado ROJAS RUBIO.”Estructuras Hidráulicas (apuntes en revisión – 2008).”

• Cesar Arturo ROSELL CALDERON. “IRRIGACION”. Consejo Departamental de Lima, 1993.

• http://www.unc.edu/~hdefays/courses/span330/arte/primerospobladores-A.html

• http://www.perutoptours.com/index06ca_complejo_hidraulico_ceremonial_cumbemayo_acueducto.html

• http://lamula.pe/2010/09/19/visita-guiada-al-tunel-trasandino-de-olmos/principedelamiseria/

MUCHAS GRACIAS!