Obras de Conduccion_RIEGO

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Patricio Palacios ß

EPNRIEGO (Conducciones)

ÍNDICE

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..................................................................................2

2. DATOS...........................................................................................................................3

3. METODOLOGÍA..............................................................................................................4

3.1 OPCIÓN 1......................................................................................................................4

3.2 OPCIÓN 2......................................................................................................................6

3.3 OPCIÓN 3......................................................................................................................6

4. RESULTADOS..................................................................................................................7

4.1 OPCIÓN 1......................................................................................................................7

4.2 OPCIÓN 2......................................................................................................................8

4.3 OPCIÓN 3......................................................................................................................9

4.4 RESUMEN TOTAL........................................................................................................10

5. ANEXOS.......................................................................................................................11

5.1 FÓMULAS EMPLEADAS...............................................................................................11

5.2 TOPOGRAFÍA ENTREGADA..........................................................................................11

5.3 TABLA DE CÁLCULOS PARA LA SECCIÓN DE CANAL TRAPEZOIDAL ÓPTIMA...............12

5.4 MUESTRAS DE RENDERIZACIÓN TRIDIMENSIONAL DE CANAL CON VIA DE ACCESO. .14

5.5 GRÁFICAS DE SIFONES COLOCADOS...........................................................................15

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL, FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL – RIEGO

Proyecto de diseño de conducción de agua para propósitos de riego de zonas agrícolas.

Patricio Palacios Benavides, Estudiante 6to semestre EPN, Julio 2015. Quito Ecuador

RESUMEN: El siguiente proyecto de diseño de conducción de agua para el riego de zonas de producción agrícola, tiene como principal objetivo concluir en la referencia técnica de construcción más viable que tenga como parámetros principales la eficiencia y la economía, siendo tomadas en cuenta varias opciones de conducción, como es la utilización de un canal y una tubería a presión, denominada sifón. La conclusión del presente, es la determinación de la opción que será utilizada para la ejecución física en obra. Los rubros principales analizados son los que determinarán el costo necesario de inversión de la obra.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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, ya sea captación, conducción, como canal abierto o tubería a presión, 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, acueductos, tomas laterales, etc., obras especiales como bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, 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, tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc.

La problemática de la conducción del líquido vital para los diferentes propósitos de riego que satisfagan los diferentes requerimientos de láminas de riego calculadas para diferentes zonas en todo el año, ha conllevado al análisis de un diseño óptimo el cual permita un balance entre economía y eficiencia, dirigiendo así al proyectista al estudio de varias alternativas que representen el máximo beneficio entre las características antes mencionadas.

Se presenta la problemática de una conducción de agua necesaria para el riego de zonas agrícolas ubicadas previamente, para lo cual se evaluará la opción de una conducción como lo es un canal, funcionando únicamente por la acción de la gravedad para transportar el caudal de diseño obtenido en los estudios hidrológicos previamente realizados; una alternativa más que se suma al análisis “costo-beneficio” es el diseño de un sifón que permita la conducción del mismo caudal mediante la impulsión del mismo a presión.

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Se procederá a la revisión de los datos de diseño y con los mismos, realizar un análisis de costo por diferentes rubros, como los son el de excavación de tierras, rellenos, materiales y además caracterización de las tuberías utilizadas para el diseño óptimo de transporte del caudal necesario.

2. DATOS

Los datos empleados para el diseño total del proyecto se resumen en los siguientes cuadros, donde se ha establecido características físicas determinantes en el desarrollo del proyecto de conducción.

DATOS

Q (m3/seg) 1,5 n 0,016

Espesor de paredes (m) 0,1 m 0,6

I °/ °° 1

Costo de excavación / m3 ($)

Costo de Revestimient

o / m3 ($)

Costo de Desalojo /

m3 ($)4 150 3

Para el canal es necesario tener en cuenta los siguientes datos, que hacen referencia a una caracterización hidráulica del canal para su óptimo funcionamiento y desempeño hidráulico.

Radio mínimo en canales abiertos

CAPACIDAD DEL CANAL RADIO MÍNIMO

Hasta 10 m3/s 3 * ancho de la base

De 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base



De 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base

Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior

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Fuente: “International Institute For Land Reclamation And Improvement” ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.

El recuadro antes mostrado nos muestra que es necesario un radio mínimo de curvatura de 6m, el cual será adoptado en todo el trazado del proyecto.

Taludes apropiados para distintos tipos de material

MATERIAL TALUD (horizontal : vertical)

Roca Prácticamente vertical

Suelos de turba y detritos 0.25 : 1

Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto 0.5 : 1 hasta 1:1

Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales

1:1

Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1

Tierra arenosa suelta 2:1

Greda arenosa o arcilla porosa 3:1

Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, Centro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974

Los datos referentes a elevación del plano topográfico entregado, revelan numeraciones comprendidas entre los 2000 m.s.n.m., concluyendo así que se trata de un suelo caracterizado por la 3era opción vista en el cuadro mostrado anteriormente, ya que este se presenta en altitudes como las ya mencionadas.

3. METODOLOGÍA

3.1 OPCIÓN 1

En el diseño presentado se tuvo en consideración algunos de los elementos básicos en el diseño de canales, tomando en cuenta los siguientes: topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos, entre otros.

Para la realización del canal que funciona únicamente por la acción de la gravedad para el transporte del caudal requerido, es necesario un estudio de la sección óptima requerida, la cual es la sección del canal trapezoidal que brinda el máximo balance entre economía y beneficio, esta queda determinada por la tabla de cálculos mostrada

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en la sección de anexos, donde se determina las características físicas del canal a utilizar en el proyecto requerido, se puede observar el siguiente grafico referencial.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5$ 0.00

$ 20,000.00

$ 40,000.00

$ 60,000.00

$ 80,000.00

$ 100,000.00

$ 120,000.00

$ 140,000.00

SECCIÓN ÓPTIMA

Base (m)

Cost

o To

tal

($)

Por lo tanto es tomado el canal, cuya base es de 1.0m y su altura total de 1.4m, como alternativa más económica, el mismo tendrá una vía de acceso junto, la cual permitirá el transporte de material, acceso inmediato en algún punto específico que presente problemas de operación, etc., se ilustra el diseño final en el siguiente gráfico.

Dado que la topografía entregada ya es un dato previamente obtenido, es necesario tener en cuenta las demás consideraciones necesarias para el proyecto; un aspecto importante es el trazado del eje que representará el trayecto del canal o tubería respectivamente, ya que en la práctica son necesarias fotografías aéreas, imágenes satelitales, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación,

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etc., en este caso se asumirá datos geológicos para la realización de cortes y rellenos con su respectiva pendiente.

Debido a la falta de información, se asumirán datos referentes a estudios geológicos, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de las conducciones antes mencionadas, como ya se observó en la sección de DATOS, donde se resumen los valores necesarios para el trazado.

Una vez obtenido los datos referenciales, se procede a realizar trabajo de gabinete dando un trazo preliminar, donde se hacen los ajustes necesarios para la correcta armonía entre trazado y topografía, evitando zonas de alta intervención de maquinaria para propósitos de cortes y rellenos de material granular de la zona previamente identificada, obteniéndose finalmente el trazo definitivo.

3.2 OPCIÓN 2

Para la realización de la segunda opción designada de canal, donde solo se diseñe un elemento con corte, es necesario trasladar el eje de ensamble diseñado en el programa computacional CivilCad 2014, a la posición mostrada en la siguiente figura, siendo esta el resultado de la geometría pedida para el cálculo de volúmenes.

Parámetros como pendientes y tipo de suelo son mantenidos para la realización de la siguiente obra hidráulica, ya que se trata del mismo terreno y la misma ubicación; los demás datos como caracterizaciones físicas del canal y la vía de acceso se mantienen como en el caso anterior, ya que se transportará el mismo caudal de diseño antes mostrado.

3.3 OPCIÓN 3

La última opción de diseño se basa en el cálculo de un sifón, que funcionará hasta el mismo punto de terminación que los canales antes expuestos, el caudal que se llevará será el mismo que se vio, pero con las configuraciones que un sifón requiere para trabajar correctamente cuando se presenten depresiones y sección continua donde se lo necesite. El análisis mostrará el espesor de tubería requerido para que la integridad

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física e hidráulica de la obra se mantenga y el funcionamiento no se vea alterado; se tomará en consideración el diámetro y configuración física de la obra para que las características requeridas se mantengan.

El diámetro de la tubería ha sido calculado mediante la suposición de una pérdida constante a lo largo del sifón, esto con el afán de tener diámetros de tuberías capaces de brindar esta característica hidráulica y no ser necesaria la utilización de bombas para presentar un ahorro en cuanto a accesorios de esta clase.

La profundidad de la tubería, será de 1.20m sobre la clave del mismo, es decir la profundidad de excavación es la suma de esta altura y la del diámetro calculado con las estipulaciones antes mencionadas.

Para que exista una condición de colocación óptima, es necesario dejar una distancia de 0.5m a cada lado de la tubería en el corte a realizarse en el terreno, con esto se tiene el cajón de excavación necesario.

4. RESULTADOS

4.1 OPCIÓN 1

Cuadros de resumen de inversión y obra, para canal trapezoidal con alternativa de optimización con el uso de recursos de corte y relleno en la misma zona, para propósitos de ahorro y cubrir una mayor parte del proyecto con recursos de la misma localidad.

Zona de corte

Zona de relleno, con el material extraído

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Volumen de Corte (m3)

Volumen de Relleno (m3)

Volumen de Desalojo

(m3)

Volumen necesario de relleno (m3)

Volumen neto de desalojo (m3)

Revestimiento Canal

Total (m3) 1204947,68 768414,27 547179,46 110646,05 436533,41 Inversión ($) $ 4.819.790,72 $ 3.073.657,08 $ 1.309.600,23 $ 1.365.379,18

TOTAL DE INVERSIÓNDE OBRA $ 10.568.427,21TOTAL DE INVERSIÓNDE OBRA por kilómetro $ 528.421,36

V(m/seg) 1,14

La velocidad mostrada, es congruente con los requerimientos para una sección de canal hidráulicamente óptima.

4.2 OPCIÓN 2

Cuadros de resumen de inversión y obra, para canal trapezoidal con alternativa de utilización del recurso de corte de material, sin utilización de relleno, son mostrados a continuación:

Zona de corte

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Volumen de Desalojo (m3)

Volumen necesario de relleno (m3)

Volumen neto de desalojo

(m3)

Revestimiento Canal

Total (m3) 1790720,46 0 1790720,46 0 1790720,46 Inversión ($) $ 7.162.881,84 $ 0,00 $ 5.372.161,38 $ 1.365.379,18


V(m/seg) 1,14

La velocidad mostrada, es congruente con los requerimientos para una sección de canal hidráulicamente óptima.

4.3 OPCIÓN 3

La opción tercera, trata sobre el sifón antes mencionado, en el cual se ha calculado el espesor necesario para las diferentes depresiones encontradas en las cuales ha sido necesario colocar un sifón circular, es decir un diámetro interior constante a lo largo de la tubería, pero una variación de espesores ha sido necesaria para que se pueda resistir la carga de agua existente.

Entonces se presenta el siguiente análisis de precios para los diferentes rubros como son excavación, cortes, rellenos, desalojo de material y tuberías de acero.

Sifón

Longitud (m)

Volumen de Corte

(m3)Costo ($)

Volumen de

Relleno (m3)

Costo ($)

Volumen de

Desalojo (m3)

Costo ($)Costo

Tubería ($)Costo

Total ($)

1 361,71 1961,77 $7.847 1531,27 $5.359 430,50 $1.291 $272.881 $287.3792 363,71 1972,61 $7.890 1539,74 $5.389 432,88 $1.299 $114.139 $128.7173 366,71 1988,88 $7.956 1552,44 $5.434 436,45 $1.309 $243.852 $258.5504 450,61 2443,90 $9.776 1907,60 $6.677 536,30 $1.609 $376.739 $394.8005 213,51 1157,99 $4.632 903,88 $3.164 254,11 $762 $115.984 $124.5426 456,77 2477,32 $9.909 1933,69 $6.768 543,63 $1.631 $391.549 $409.8577 857,94 4653,09 $18.612 3632,00 $12.712 1021,09 $3.063 $1.147.661 $1.182.0488 1240,56 6728,27 $26.913 5251,80 $18.381 1476,47 $4.429 $2.398.211 $2.447.9349 603,85 3275,03 $13.100 2556,35 $8.947 718,68 $2.156 $658.264 $682.467

10 1332,90 7229,08 $28.916 5642,71 $19.749 1586,37 $4.759 $762.602 $816.02711 1339,07 7262,52 $29.050 5668,81 $19.841 1593,71 $4.781 $2.852.230 $2.905.902

Corte Relleno Desalojo Tubería

9

Precio $164.602 $112.421 $27.091 $9.638.224

Total $ 9.942.337



Volumen de Desalojo (m3)

Costo tubería ($)

Total (m3) 297773,5 11641,85 286131,6521 Inversión ($) $ 1.191.094,00 $ 46.567,39 $ 858.394,96 $ 9.942.337,05


Las velocidades en la tubería cumplen con lo establecido, es decir son menores a 2 m/seg, asegurando así óptimas condiciones de conducción.

4.4 RESUMEN TOTAL

El diseño de consideración de corte y relleno presenta un costo total de:

TOTAL DE INVERSIÓNDE OBRA $ 10.568.427,21

El diseño de consideración de corte presenta un costo total de:


El diseño de consideración un sifón presenta un costo total de:


Concluyendo, se tiene que la opción más económica es la primera, ya que se presentan reutilización de material, lo que resulta beneficioso; la alternativa de presentar solo corte en el proyecto, no representa mayor economía por la alta cantidad de volumen de desalojo; finalmente la alternativa del sifón, presenta altos precios debido a la topografía del lugar, en donde existen zonas que es necesario colocar altos espesores de tubería, incrementando así el precio final estimado de obra.

5. ANEXOS

10

5.1 FÓMULAS EMPLEADAS

5.2 TOPOGRAFÍA ENTREGADA

11

5.3 TABLA DE CÁLCULOS PARA LA SECCIÓN DE CANAL TRAPEZOIDAL ÓPTIMA

DATOS

Q (m3/seg) 1,5 n 0,016

Espesor de paredes (m) 0,1 m 0,6

I °/ °° 1

Costo de excavación / m3 ($)

Costo de Revestimient

o / m3 ($)

Costo de Desalojo /

m3 ($)4 150 3

b (m) y (m) s (m)Área

Hidráulica (m2)

v (m/seg

)b1 (m) B (m) h (m) H (m)

Área de excavació

n (m2)

0,2 1,36 0,40 1,38 1,09 0,40 2,63 1,76 1,9 2,810,5 1,13 0,40 1,34 1,12 0,70 2,66 1,53 1,6 2,751 0,87 0,40 1,32 1,14 1,20 2,84 1,27 1,4 2,76

1,5 0,70 0,40 1,33 1,12 1,70 3,13 1,10 1,2 2,892 0,58 0,40 1,37 1,09 2,20 3,50 0,98 1,1 3,09

2,5 0,51 0,40 1,43 1,05 2,70 3,91 0,91 1,0 3,343 0,45 0,40 1,48 1,01 3,20 4,34 0,85 1,0 3,60

3,5 0,41 0,40 1,54 0,97 3,70 4,79 0,81 0,9 3,874 0,38 0,40 1,60 0,94 4,20 5,25 0,78 0,9 4,15

Área Interior

(m2)

Área Revestimiento

(m2)

Área de desalojo (m3/m)

Costo de excavación

($)

Costo Revestimiento

($)

Costo Desalojo ($)

12

2,31 0,50 2,31 11,25 75,44 6,932,27 0,47 2,27 10,99 71,24 6,822,30 0,46 2,30 11,03 68,27 6,912,43 0,46 2,43 11,56 69,13 7,292,61 0,48 2,61 12,37 72,30 7,832,82 0,51 2,82 13,34 76,86 8,473,05 0,55 3,05 14,39 82,19 9,153,28 0,59 3,28 15,48 88,04 9,853,52 0,63 3,52 16,60 94,24 10,57

Costo Total /

metro lineal ($)

Costo Total ($) /Km b (m) H (m)

93,62 $ 93.623,51 0,2 1,989,05 $ 89.049,38 0,5 1,686,21 $ 86.212,43 1 1,487,98 $ 87.981,75 1,5 1,292,50 $ 92.500,63 2 1,198,67 $ 98.666,79 2,5 1,0

105,72 $ 105.721,71 3 1,0113,37 $ 113.370,99 3,5 0,9121,41 $ 121.410,64 4 0,9

5.4 MUESTRAS DE RENDERIZACIÓN TRIDIMENSIONAL DE CANAL CON VIA DE ACCESO

13

5.5 GRÁFICAS DE SIFONES COLOCADOS

14

SIFON #1

2+760.00 2+780.00 2+800.00 2+820.00 2+840.00 2+860.002450.00

2500.00

2550.00

2600.00

2650.00

2700.00

2750.00

2800.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #2

3+400.00 3+410.00 3+420.00 3+430.00 3+440.00 3+450.002560.00

2580.00

2600.00

2620.00

2640.00

2660.00

2680.00

2700.00

2720.00

2740.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #3

15

4+200.00 4+220.00 4+240.00 4+260.00 4+280.00 4+300.002450.00

2500.00

2550.00

2600.00

2650.00

2700.00

2750.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #4

7+410.00 7+440.00 7+470.00 7+500.00 7+530.00 7+560.002400.00

2450.00

2500.00

2550.00

2600.00

2650.00

2700.00

2750.00

2800.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #5

16

9+380.00 9+390.00 9+400.00 9+410.00 9+420.00 9+430.00 9+440.002500.00

2520.00

2540.00

2560.00

2580.00

2600.00

2620.00

2640.00

2660.00

2680.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #6

10+340.00 10+360.00 10+380.00 10+400.00 10+420.00 10+440.002400.00

2450.00

2500.00

2550.00

2600.00

2650.00

2700.00

2750.00

2800.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #7

17

11+840.00 11+880.00 11+920.00 11+960.00 12+000.00 12+040.002300.00

2400.00

2500.00

2600.00

2700.00

2800.00

2900.00

3000.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #8

12+960.00 13+000.00 13+040.00 13+080.00 13+120.002500.00

2600.00

2700.00

2800.00

2900.00

3000.00

3100.00

3200.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #9

18

14+360.00 14+380.00 14+400.00 14+420.00 14+440.002300.00

2400.00

2500.00

2600.00

2700.00

2800.00

2900.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #10

15+600.00 15+610.00 15+620.00 15+630.00 15+640.00 15+650.002400.00

2450.00

2500.00

2550.00

2600.00

2650.00

2700.00

2750.00

2800.00

PIZOMETRICATERRENO

SIFON #11

19

15+840.00 15+900.00 15+960.00 16+020.00 16+080.002400.00

2500.00

2600.00

2700.00

2800.00

2900.00

3000.00

3100.00

3200.00

PIZOMETRICATERRENO

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