Calculo de canoas de drenaje.

MEMORIA DE CALCULO

DRENAJE DE AGUAS LLUVIAS

SECTOR CANAL LOS HELADOS

CENTRAL HIDROELECTRICA LA HIGUERA

5070-25-CAL-054-A

A 12.06.07 FLH FMC FBR Revisión

Rev Fecha Por Verif. Aprob. Páginas Observaciones

in cooperation with

Central Hidroeléctrica La Higuera Memoria de Cálculo Drenaje de Aguas Lluvias Sector Canal Los Helados

DrenajeCanalLosHelados.5070-25-CAL-054-A. LI - EPS i

INDICE

1 INTRODUCCION 1-1

2 ANTECEDENTES 2-1

2.1 TOPOGRAFIA 2-1

2.2 GEOTECNICA 2-1

2.3 HIDROLOGIA 2-1

2.3.1 Precipitación Máxima de Duración de 1 a 24 horas. 2-1

2.3.2 Precipitación de duración menor a 1 hora 2-1

2.3.3 Intensidad de la Tormenta 2-1

2.3.4 Tiempo de Concentración. 2-1

2.3.5 Coeficiente de escorrentía 2-1

3 CRITERIOS DE DISEÑO 3-1

3.1 CRITERIOS GENERALES 3-1

3.2 CRITERIOS HIDRAULICOS 3-1

4 DISEÑO CONCEPTUAL 4-1

5 CALCULOS DE CAUDAL APORTANTE 5-1

6 VERIFICACION DE CAUDALES 6-1

6.1 VERIFICACION DE LAS CANALETAS DE RECOLECCION 6-1

6.2 VERIFICACION OBRAS DE EVACUACION 6-1

6.2.1 Obra Km 0,150 6-1

6.2.2 Obra Km 0,748 6-1

6.2.3 Obras Kms 1,159; 1,521 y 1,654 6-1


DrenajeCanalLosHelados.5070-25-CAL-054-A. LI - EPS 1-1

1 INTRODUCCION

Este documento tiene por objeto presentar los antecedentes, criterios y cálculos realizados para desarrollar unas obras de drenaje que permitirán en su conjunto sanear el canal Los Helados y el camino colindante al mismo canal.



2 ANTECEDENTES

2.1 TOPOGRAFIA

Para la delimitación de las cuencas y emplazamiento del canal de drenaje se empleó la siguiente topografía:

• Levantamiento Topográfico escala 1:10.000 • Lámina 5070-21-25-201. Planta General Canal Los Helados

2.2 GEOTECNICA

Se contó con las características del suelo del área en estudio contenidas en el Informe Geotécnico: 5070-17-REP-10-A

2.3 HIDROLOGIA

La estimación de los caudales afluentes al sistema de saneamiento se realizó siguiendo las recomendaciones y procedimientos establecidos en el “Manual de Carreteras”, Volumen 3.

Para la estimación del caudal a drenar se utilizará la Fórmula Racional:

6,3** AiCQ =

Donde: Q : Caudal Máximo Instantáneo (m3/s). i : Intensidad de la precipitación para el tiempo de concentración de la cuenca (mm/hr). A : Area aportante (km2) C : Coeficiente de escorrentía.

En la zona de interés no se cuenta con registros pluviométricos que permitan establecer la cantidad de lluvia caída, no obstante se ha recurrido a la información contenida en el documento “Precipitaciones Máximas en 1,2 y 3 días” (D.G.A., 1994), determinándose a través del plano de isoyetas la Precipitación Máxima Diaria para un período de retorno de 10 años en la zona del estudio.

El valor así estimado corresponde a :

mmPD 14010 =



Para determinar la precipitación asociada a otros períodos de retorno y a ciertas duraciones se emplean las siguientes expresiones dependiendo de la duración de la lluvia

2.3.1 Precipitación Máxima de Duración de 1 a 24 horas.

TdDT

d CFCDPP ***1,1 10= donde:

TtP : Precipitación (mm), de período de retorno T años y duración t

horas. 10DP : Lluvia máxima diaria (8 AM a 8 AM) con 10 años de período de retorno.

dCD : Coeficiente de duración para t horas. (1 hora < t <24 horas).

TCF : Coeficiente de Frecuencia para T años de período de retorno.

2.3.2 Precipitación de duración menor a 1 hora

Para determinar la precipitación de duración menor a 1 hora se utiliza la siguiente expresión:

101

25,0 *)52,0)(*21,0(*)50,0*54,0( PTLntPTt +−=

donde:

TtP : Precipitación (mm) con período de retorno T años y duración t

minutos. 10

1P : Precipitación (mm), con 10 años de período de retorno y duración 1 hora.

T : Período de Retorno. t : Duración de la lluvia (min)

2.3.3 Intensidad de la Tormenta

La intensidad de una tormenta se define a través de la siguiente expresión:

)60/(tP

IT

tTt =

Los cálculos de precipitación se realizarán para un período de retorno de 20 años.

2.3.4 Tiempo de Concentración.

La utilización de la fórmula racional plantea que la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración de la cuenca.



Para determinar el tiempo de concentración se emplearán las siguientes expresiones:

• 385,03

*57

=

HLTc California Culverts Practice

donde: L : Longitud del cauce (km) H : Diferencia de nivel total entre cotas extremas de la cuenca (m)

cT : Tiempo de concentración (min)

• ))*8,0/()*5,1*4((*60 5,05,0mc HLAT += Giandotti

donde: L : Longitud del cauce (km)

mH : Diferencia de nivel entre la cota media de la cuenca y la salida (m).

A : Area de la cuenca (km2) cT : Tiempo de concentración (min)

La tabla Nº2.1 muestra los valores obtenidos para el tiempo de concentración usando las dos expresiones descritas:

Area Superficie (km2)

L (km)

H (m)

Hm (m)

TC1 (min)

TC2 (min)

Tc adoptado (min)

A0 0.014 0.21 115 62 1,5 7,5 10 A1 0.162 0.70 555 296 3,3 11,6 10 A2 0.169 0.63 315 193 3,6 14,0 10 A3 0.279 0.79 505 305 4,0 14,2 10 A4 0.346 1.30 815 480 5,8 14,7 10 A5 0.067 0.36 275 145 2,0 9,8 10

Tabla Nº 2.1: Tiempos de concentración Nota: TC1 corresponde al tiempo de concentración calculado con la expresión California

Culverts Practice TC2 corresponde al tiempo de concentración calculado con la expresión de Giandotti Considerando que Tc según California Culverts es menor a 10 minutos, el tiempo de concentración para la estimación del caudal de diseño será de 10 minutos, dado que este valor es el mínimo recomendado para el empozamiento de la cuenca.

2.3.5 Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía fue estimado a partir de las recomendaciones del Estado de California presentadas en el Manual de Carreteras, volumen 3, MOP 2002 como sigue:



∑= iCC

Con: Crelieve : 0,30 Montañoso Cinfiltración : 0,06 Suelos Normales bien drenados Ccobertura vegetal : 0,06 Regular a buena Calmacenamiento superficial : 0,08 despreciable, sin zonas húmedas

Luego se adopta: C = 0,50



3 CRITERIOS DE DISEÑO

3.1 CRITERIOS GENERALES

Para recoger las aguas lluvias provenientes de la parte alta de la zona de estudio, se establecieron los siguientes criterios:

• El área a sanear se dividió en 6 subáreas • Cada subárea conducirá sus aguas a un punto específico de evacuación. A cada punto

de evacuación llegarán las aguas que conduce la quebrada, más las aguas que son conducidas por las canaletas de recolección

• En los puntos de evacuación se diseñan canoas para drenar las aguas.

3.2 CRITERIOS HIDRAULICOS

Las canaletas de recolección se diseñan para un caudal de período de retorno de 20 años Los coeficientes de rugosidad de Manning adoptados serán los siguientes:

• Canal dragado en tierra 0,03 • Sección rectangular de hormigón liso 0,016 Valores tomados del documento 5070-25-MAN-01. Criterios de Diseño Hidráulico



4 DISEÑO CONCEPTUAL

En la figura 4.1 se presentan las seis áreas aportantes, la disposición de las canaletas de recolección y los puntos de evacuación de la aguas.

Cada una de las seis áreas en que se dividió el área aportante total, se saneará a través de un par de canaletas de recolección, que convergen a un punto donde se realizará la descarga del agua captada. Las canaletas de recolección, serán dragadas en tierra y dependiendo del caudal que recojan tendrán la geometría indicada en la figura Nº 4.2:

Figura Nº4.2. Geometría canaletas de recolección

Dado que la capacidad máxima de la canaleta de dimensiones b=0,50 m y h=0,50 m, con una pendiente de 0,002 y sin considerar revancha corresponde a Q=0,30 m3/s, se ha adoptado como criterio de diseño para ellas lo siguiente:

Caudal (m3/s)

z b (m)

H (m)

Q < 0,30 1 0,5 0,5 Q>=0,30 1 0,6 0,6

Tabla Nº4.1: Criterio de diseño, geometría de la canaleta La obra de evacuación del km 0,150 corresponde a una descarga directa cruzando el badén y el camino para luego descargar las aguas a la quebrada más cercana. Ver geometría de este cruce en la figura Nº 4.3

El resto de las obras para evacuar las aguas consistirán en un cajón de hormigón tipo canoa que cruza por sobre el canal Los Helados, para luego continuar por un badén, atravesar el camino y finalmente descargar a través de un empedrado a la quebrada más cercana. Ver geometría de esta obra en figura Nº 4.4

b

z

H h



Figura Nº 4.1 Areas drenantes, canaletas recolectoras y ubicación de puntos de descarga

Canaletas de recolección

Km 0,150

Km 0,748

Km 1,159

Km 1,521 Km 1,521

Areas drenantes

Puntos de descarga



Figura Nº 4.3 Geometría obra km 0,150



Figura Nº 4.4 Geometría obra de cruce canal Los Helados

Canal Los Helados



5 CALCULOS DE CAUDAL APORTANTE

De acuerdo a las expresiones indicadas en el punto 2.3 de este documento, se procedió a determinar para cada una de las áreas, en que se dividió el área total aportante, el caudal correspondiente.

En la tabla Nº 5.1, se presentan los parámetros comunes a cada una de las cinco cuencas.

Parámetros 10DP 140 mm

1024P 154 mm

1CD 0,12

)1( hrtCD < 0,46

)1( hrtCF < 1,15 10

1P 18,48 mm

20min10P 9,77 mm

Tc 10 min I 58,6 mm/hr

Tabla Nº 5.1: Parámetros hidrológicos Los caudales a sanear y la superficie total de cada una de las 6 áreas, se indican en la tabla Nº5.2

Km 0bra de

evacuación

Q Total a evacuar

(l/s)

Nombre Area

Superficie (km2)

Q (l/s)

A0 (canaleta) 0,014 112 A1 0,144 1.173 0,150 1.428 A11 (canaleta) 0,018 143 A2 0,107 873 A21(canaleta) 0,021 175

0,748 1.379

A22(canaleta) 0,041 331 A3 0,260 2.119 A31(canaleta) 0,010 84

1,159 2.273

A32(canaleta) 0,009 71 A4 0,310 2.526 A41(canaleta) 0,022 180

1,521 2.817

A42(canaleta) 0,014 112 A51(canaleta) 0,042 341

1,654 549 A52(canaleta) 0,026 208 Tabla Nº5.2: Superficies y caudales de áreas aportantes



6 VERIFICACION DE CAUDALES

6.1 VERIFICACION DE LAS CANALETAS DE RECOLECCION

Para verificar la capacidad de las canaletas de recolección, con las dos geometrías consideradas, se procedió a calcular la máxima capacidad de conducción para la sección completa (sin revancha) y para una pendiente mínima que se ha establecido en 0,002.

• Geometría tipo 1

z = 1,0 n = 0,03 (tierra) b = 0,5 (m) H = 0,5 (m)

Luego Q = 0,30 (m3/s)

• Geometría tipo 2

z = 1,0 n = 0,03 (tierra) b = 0,6 (m) H = 0,6 (m)

Luego Q = 0,50 (m3/s) Conocidas las capacidades se procedió a compararla con los caudales de las canaletas proyectadas. Ver tabla Nº 6.1

Parámetros Comunes: n = 0,03 Canal dragado en tierra.

z = 1,0 s = 0,002 (m/m)

Area Superficie

(km2) Q

(l/s) b

(m) h

(m) V

(m/s)

A0 0.014 112 0,5 0,30 0,47 A11 0.018 143 0,5 0,34 0,50 A21 0.021 175 0,5 0,38 0,53 A22 0.041 331 0,6 0,49 0,62 A31 0.010 84 0,5 0,26 0,43 A32 0.009 71 0,5 0,23 0,41 A41 0.022 180 0,5 0,38 0,53 A42 0.014 112 0,5 0,30 0,47 A51 0.042 341 0,6 0,50 0,63 A52 0.026 208 0,5 0,41 0,56

Tabla Nº6.1: Verificación canaletas de recolección



Se verifica que para todos los caudales considerados existe capacidad suficiente para transportar el agua drenada.

6.2 VERIFICACION OBRAS DE EVACUACION

Para verificar la capacidad de las obras que atravesarán el canal Los Helados y el camino para luego descargar a la quebrada más cercana, se procedió a calcular la capacidad de conducción para las condiciones establecidas

6.2.1 Obra Km 0,150

En este kilometraje el canal Loa Helados se desarrolla bajo tierra, luego sólo se necesita sanear el camino.

´ El caudal a sanear corresponde a 1,428 (m3/s). La disposición de la solución para esta evacuación de agua será según lo dispuesto en la lámina 4.704.101 del Vol 4 de M.C.

6.2.2 Obra Km 0,748

El caudal de dimensionamiento es: Q = 1,379 (m3/s). Se eligió una velocidad de conducción de: V = 2,0 (m/s). La sección requerida para estas condiciones es de:

)(69,02379,1 2m

VQA ===

La sección óptima para un canal rectangular indica que: hb *2= Entonces se tiene que: 2*2*69,0 hhbA ===

Luego: )(59,0

)(17,1mh

mb==

Se adopta entonces: b=1,2 (m), h=0,6 (m) y H=1,0 (m). La revancha adoptada es de 20 cm. El perímetro mojado, el área y el radio hidráulico resultan ser:

30,0)(72,0

)(4,2

===

RmA

mP

La estructura de atravieso será una canoa de hormigón liso, que admitirá una velocidad máxima de 4,0 (m/s). Se tiene entonces que el coeficiente de Manning será de:

016,0=n



Se seleccionó un gradiente “J” igual a:

015,0=J Luego la velocidad real en la estructura será:

)/(43,3* 21

32

smn

jRV ==

Esta velocidad es menor que la velocidad máxima 4 (m/s), luego se verifica que las dimensiones dadas a esta obra son las adecuadas. Este canal, luego de terminar de cruzar sobre el canal Los Helados entregará las aguas al camino a través de un badén, para luego mediante un empedrado entrega a la quebrada más cercana.

6.2.3 Obras Kms 1,159; 1,521 y 1,654

Siguiendo el procedimiento descrito para la obra del km 0,748, se tienen lo siguientes resultados para los otras obras ubicadas en los kilometrajes que se indican:

Dimensiones Canoa Km Qdim

(m3/s) b (m)

h (m)

H (m)

n J V (m/s)

V max (m/s)

1,159 2,273 1,6 0,8 1,2 0,016 0,013 3,87 4,0 1,521 2,817 1,7 0,9 1,3 0,016 0,011 3,85 4,0 1,654 0,549 0,8 0,4 0,8 0,016 0,020 3,02 4,0

Tabla Nº6.2: Verificación Dimensionamiento Obras Kms 1,159, 1,521 y 0,226 Nota: b=ancho basal

h=altura de agua H=altura de muro de la canoa.

En todos las obras la velocidad es menor que la velocidad máxima( 4,0 m/s), luego se verifica que las dimensiones dadas a la obra de hormigón son las adecuadas. Estas obra, luego de terminar de cruzar sobre el canal Los Helados. entregarán las aguas al camino a través de un badén, para luego mediante un empedrado continuar y descargar a la quebrada más cercana.

Calculo de canoas de drenaje.

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