5.6 Diseño Estructural Del Sistema De Riego.docx

Programa Regional de Irrigación y Desarrollo Rural Integrado - PRIDER Expediente Técnico del Proyecto: ‘’Mejoramiento y Ampliación del Servicio de Agua Para Riego en la Zona de Esmeralda Alta, del Distrito de Luricocha y Distrito de Huanta, Provincia de Huanta – Departamento de Ayacucho” Diseño Estructural del Sistema de Riego

Contenido Nº Pág.

1.

GENERALIDADES ................................................................................................ 2

1.1. Introducción ............................................................................................2 1.2. Sistema de Riego Yungayllo Pahuanacucho ............................... 5 1.3. Sistema de Riego Opanccay ............................................................... 7 1.4. Sistema de Riego Tomapata Silveracucho...................................8 1.5. Sistema de Riego Huancayocc Huamanccacca ...........................9 2.

CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES EN OBRAS HIDRÁULICAS 11

2.1. Consideraciones de Diseño.............................................................. 11 2.1.1. Diseño por Cargas Factorizadas........................................... 11 2.1.2. Diseño por Esfuerzos de Trabajo ......................................... 11 2.1.3. Comportamiento Hidrodinámico del Agua y Diseño Sísmico ..................................................................................................... 13 2.1.4. Calidad del Concreto, Agrietamiento y Juntas................. 13 3.

DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS ................. 16

3.1. Diseño Estructural de las Bocatomas ......................................... 16 3.1.1. Sub Presiones y Filtraciones Bajo una Barrera o ........... 16 3.1.1.1.

Análisis de estabilidad del Barraje ............................... 18

c.- Verificación de la estabilidad. .................................................... 22 3.2. Análisis Estructural de los Reservorios ....................................22 4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS OBRAS DE ARTE COMPLEMENTARIAS ....................................................................................... 23 4.1.

Geometrías de las obras de arte: .................................................................... 24

4.2.

Factores Técnicos: ............................................................................................... 24

4.3.

Factores Económicos: ......................................................................................... 24

4.4. Efecto de la Napa Freática Sobre el Diseño de la Sección del Canal y Obras de Arte ..................................................................................................................... 24 5.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 24

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DISEÑO DEL SISTEMA DE RIEGO DISEÑO ESTRUCTURAL DEL SISTEMA DE RIEGO ESTUDIO

:

“’MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DEL SERVICIO DE AGUA PARA RIEGO EN LA ZONA DE ESMERALDA ALTA, DEL DISTRITO DE LURICOCHA Y DISTRITO DE HUANTA, PROVINCIA DE HUANTA – DEPARTAMENTO DE AYACUCHO”

ETAPA

:

EXPEDIENTE TÉCNICO

ENTIDAD

:

PROGRAMA REGIONAL DE IRRIGACIÓN Y DESARROLLO RURAL INTEGRADO - PRIDER

ELABORACIÓN

:

ING. JAIME PACHECO LAURA

1.

GENERALIDADES

1.1.

Introducción El diseño estructural tiene el objetivo otorgar la seguridad a las estructuras hidráulicas que soporten los esfuerzos a los que estará sometido como también asegurar que la funcionalidad no se vea afectada a través de la vida útil para la que se diseñó y que se asegure un razonable comportamiento impermeable. El diseño estructural de las obras hidráulicas, están relacionadas a las particularidades de las condiciones locales de la ubicación geográfica, clima, facilidades logísticas y todo aquello que ha de influir en la adopción de las formas, materiales, y técnicas constructivas. Para el presente proyecto, el diseño estructural toma en cuenta desde el punto de vista de seguridad, funcionalidad, durabilidad, costos, programa de tiempo de ejecución, principalmente las condiciones locales de la zona rural y de los componentes pequeños de las obras de artes en la cual más que el diseño es dar la facilidad para el proceso constructivo y la funcionabilidad sencilla para la operación y mantenimiento del sistema. El presente proyecto, tiene como objetivo beneficiar zonas netamente agrícolas, que requieren el recurso hídrico para poder desarrollar su agricultura, se constituye por lo tanto una de las obra más importante del distrito de Huanta y Luricocha en la provincia de Huanta, que mediante el almacenamiento y regulación de las Represa Yunagayllo y Patoccocha, así como la regulación de las fuentes propias, suministrará aguas con fines de

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uso agrario para mejorar y ampliar la frontera agrícola de las Comisiones de riego de: Yungayllo - Pahunacucho, Opanccay, Tomapata – Silveracucho y Huancayocc - Huamanccacca de la zona Esmeralda Alta de Huanta. Los sectores de riego de riego favorecidos son: 







Comisión de Riego de Yungayllo – Pahuanacucho o

San Antonio Culluchaca.

o

Unión Culluchaca

o

Unión Puntina.

o

Balcompampa.

o

Ñahuimpuquio.

o

Mio Baja (Patasucro)

Comisión de Riego de Opanccay. o

Ccayao.

o

Seccllas.

o

Ccollana.

o

Pichiurara.

o

Ñahuimpuquio Baja.

Comisión de Riego de Tomapata Silveracucho. o

Pampacancha.

o

Patasucro.

o

Ccanis Pultunchara.

o

Vista Alegre.

o

Ccanis Baja.

o

Puquiucucho.

o

Ccaccas.

o

Pichcahuillca.

Comisión de Riego de Huancayocc – Huamanccacca: o

Huamanccacca.

o

Huancayocc Alta.

o

Callqui Alta.

o

Uchcumarca.

o

Huancayocc Baja y

o

Puquiopampa.

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AFIANZAMIENTO QBDAS. TORORAQUINA B

B

COMISIÓN DE USUARIOS YUNGAYLLO PAHUANACUCHO

B

TORORAQUINA A <== CANAL COLECTOR

B

PRESA PATOCCOCHA

CANAL COLECTOR ==>

AFIANZAMIENTO QBDAS.

PRESA YUNGAYLLO

TORORAQUINA C

B

CORRALHUAYCCO

B

B PATOCCOCHA A B

AYABAMBA

COMISIÓN DE USUARIOS HUANCAYOCC HUAMANCCACCA

B

DE

COMISIÓN DE USUARIOS TOMAPATA SILVERACUCHO

CULLUCHACA (60 has)

UNIÓN CENT RO CULLUCHACA (49 has)

UNIÓN PUNT INA (50 has)

B

B

has)

ANT ONIO

UNIÓN PUNTINA (8

SAN

LLECCLETAYOCC PAMPA

HUANCAYOCC ALT A (35 has) PAMPACANCHA(22 has)

BALCONPAMPA (31 has) HUANCAYOCC BAJA (57 has) PAT ASUCRO (53 has) MIO BAJA PAT ASUCRO (51 has)

CALQUI (75 has)

HUAMANCCACCA (34 has)

CCANIS PULT UNCHARA (44 has) ÑAHUINPUQUIO

ALT A

(34

has)

COMISIÓN DE USUARIOS OPANCCAY

CCANIS BAJA (36 has) PUQUIOCUCHO (41 has)

B

UCHCUMARCA (36 has)

ÑAHUINPUQUIO BAJA (24 has)

PICHCAHUILLCCA(65 has)

PICHUIRARA (98 has)

PUQUIOPAMPA (6.25 has)

SECCLLAS (149 has)

CCAYAO (310 has)

CCOLLANA (73 has)

CCACCAS (54 has)

VIST A ALEGRE (28 has)

Figura 1Esquema del planteamiento Hidráulico General

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De acuerdo al Planeamiento Hidráulico, las obras de infraestructura mayor que permitirán regular el agua del sistema de riego serán las siguientes: 

Presa Yunagayllo y obras conexas



Presa Patoccocha y obras conexas.

El esquema hidráulico propuesto por el estudio de factibilidad se muestra en las figuras 1; en este nivel de estudio se ha realizado estudios sobre la base del planteamiento hidráulico propuesto. En este sentido se describe a continuación las diferentes obras de arte que corresponden a las zonas de riego definidas: Sistema de Riego de las comisiones de Riego Yungayllo Pahunacucho, Opanccay, Tomapata – Silveracucho y Huancayocc Huamanccacc. A continuación, se efectuará la descripción técnica y el desarrollo de los cálculos Hidráulicos y Estructurales, que permitirán fundamentar las diversas magnitudes de las estructuras que han sido formuladas en el presente proyecto. 1.2.

Sistema de Riego Yungayllo Pahuanacucho El sistema de riego Yungayllo – Pahuanacucho, atenderá la demanda hídrica de 446 has anuales (275 has campaña grande y 171 has campaña chica) y conducirá un caudal de demanda máxima de 146 l/s, este sistema cuenta con las siguientes obras de riego mayor en la cuenca alta. Obras de Siembra y Cosecha de Agua en la Parte Alta de la Mcca. Yungayllo: Construcción de la represa de almacenamiento y regulación de la presa Yungayllo con volumen de almacenamiento de 4 MMC; para el cual se hace necesario la construcción del canal aductor para afianzar las cuencas vecinas de Ayabamba - Leccletayocc Pampa - Patoccocha - Corralhuaycco y Totoraquina. Contempla el canal de conducción principal con tubería a presión al margen izquierdo en 3.4 Km y al margen derecho con canal a base de concreto simple en una longitud de 6.12 Km, en ambos casos implementados con sus respectivas obras de arte. Como parte de gestión de riesgo se instalará obras físicas de siembra de agua aguas arriba del canal colector de esa forma garantizar la infiltración de agua en la zona no saturada que permita la recarga hídrica.

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Instalación de Riego Tecnificado en las Áreas Agrícolas de las Comisión de Usuarios Yungayllo – Pahuanacucho La

Bocatoma

Yungayllo,

comprende

la

construcción

de

esta

infraestructura hidráulica en el río del mismo nombre. Esta estructura hidráulica de captación tendrá una capacidad de derivación de 146 l/s, con dos tomas a cada margen y será diseñado para un caudal máximo de 14.25m3/s correspondiente a un periodo de retorno de 50 años, de la bocatoma parten los canales principales a margen derecho que beneficiará al Comité San Antonio de Culluchaca y al margen izquierdo los comités de Unión Culluchaca, Unión puntina, Balcompampa, Ñahuimpuquio y Mio baja (patasucro) Línea de conducción a presión con TUB. PVC DN 200, 160, 140, 110 y 90 mm en una longitud de 10.6 Km, obras de arte 01

bocatoma,

02

desarenador, 200 ml de drenaje en línea de conducción en 05 tramos, 14 canoas tipo II, 02 pase aéreo, 18 cámaras rompe presiones T-6, 01 cámara de repartición y 10 válvulas de aire. Comité Centro Unión; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,000 m3, implementados con 53 CRPs, 16 Válvulas Purga, 18 Válvulas de Control, 5 Válvulas de Aire, 96 Hidrantes, Tuberías PVC de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 8.2 Kms. Comité Unión Puntina; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,700 m3, implementados con 46 CRPs, 21 Válvulas Purga, 16 Válvulas de Control, 5 Válvulas de Aire, 96 Hidrantes, Tuberías PVC de D=63 mm, D=90 mm, D=110 mm y D=200 mm en una longitud de 9.2 Kms. Comité Mio Baja; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,700 m3, implementados con 52 CRPs, 24 Válvulas Purga, 19 Válvulas de Control, 5 Válvulas de Aire, 92 Hidrantes, Tuberías PVC D=63 mm, D=90 mm, D=110 mm y D=200 mm en una longitud de 8.5 Kms. Comité Ñahuinpuquio Alta; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 800 m3, implementados con 18 CRPs, 7 Válvulas Purga, 7 Válvulas de Control, 5 Válvulas de Aire, 43 Hidrantes, 5 Válvulas de Aire, 92 Hidrantes, Tuberías PVC D=63 mm, D=90 mm, D=110 mm y D=200 mm en una longitud de 4.0 Kms. Comité Balconpampa; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 500 m3, implementados con 33 CRPs, 25 Válvulas Purga, 26 Válvulas de Control, 5 Válvulas de Aire, 86 Hidrantes, Tuberías PVC D=63 mm, D=90 mm, D=110 mm y D=200 mm en una longitud de 8.9 Kms. Ms.c. Ing. Jaime Pacheco Laura - Consultor

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Comité San Antonio de Culluchaca; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 2,000 m3, implementados con canal de conducción principal de 3.2 Km, con sus obras de arte y 07 tomas laterales de servicio 1.3.

Sistema de Riego Opanccay El sistema de riego Opanccay, atenderá la demanda hídrica de 834 has anuales (654 has campaña grande y 180 has campaña chica) y conducirá un caudal de demanda máxima de 244 l/s, este sistema se abastecerá con la recarga hídrica de la cuenca Opanccay que en la cabecera de esta cuenca toma el nombre de Yungayllo, además se incrementaré el caudal regulado del embalse yungayllo. La Bocatoma Opanccay, comprende la construcción de esta infraestructura hidráulica en el río del mismo nombre. Esta estructura hidráulica de captación tendrá una capacidad de derivación de 70 l/s, con la toma hacia la margen izquierda y será diseñado para un caudal máximo de 45.2m3/s correspondiente a un periodo de retorno de 50 años, beneficiará al Comité Seccllas y Ñahuinpuquio Baja Línea de conducción a presión con TUB. PVC DN 250, 200 160 y 140 mm en una longitud de 2.1 Km, obras de arte 01 bocatoma, 01desarenador, 2 cámara rompe presiones T-6, 01 cámara de repartición y 3 válvulas de aire. Comité Ccayao; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 2,300 m3, implementados con 2 CRPs, 29 Válvulas Purga, 27 Válvulas de Control, 07 Válvulas de Aire, 76 Hidrantes, Tuberías PVC de D=200 mm, D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 11.6 Kms. Comité Ccollana; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,700 m3, implementados con 2 CRPs, 21 Válvulas Purga, 25 Válvulas de Control, 04 Válvulas de Aire, 70 Hidrantes, Tuberías PVC de D=200 mm, D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 8.45 Kms. Comité Ñahuinpuquio Baja; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 900 m3, implementados con 8 CRPs, 12 Válvulas Purga, 16 Válvulas de Control, 03 Válvulas de Aire, 44 Hidrantes, Tuberías PVC de D=200 mm, D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 5.05 Kms. Comité Pichiurara; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 3,700 m3, implementados con 6 CRPs, 28 Válvulas Purga, 28 Válvulas de

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Control, 05 Válvulas de Aire, 133 Hidrantes, Tuberías PVC de D=200 mm, D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 11.5 Kms. Comité Secclas; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 4,000 m3, implementados con 15 CRPs, 58 Válvulas Purga, 53 Válvulas de Control, 16 Válvulas de Aire, 246 Hidrantes, Tuberías PVC de D=200 mm, D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 25.67 Kms. 1.4.

Sistema de Riego Tomapata Silveracucho El sistema de riego Tomapata Silveracucho, atenderá la demanda hídrica de 475 has anuales (351 has campaña grande y 124 has campaña chica) y conducirá un caudal de demanda máxima de 139 l/s, este sistema cuenta con las siguientes obras de riego mayor en la cuenca alta. Obras de Siembra y Cosecha de Agua en la Parte Alta de la Mcca. Patoccocha: Construcción de la represa de almacenamiento y regulación de la presa Patoccocha con volumen de almacenamiento de 1MMC; para el cual se hace necesario la construcción del canal aductor para afianzar la cuenca vecina de Tororaquina. Contempla el canal de conducción principal con tubería a presión hacia las áreas de riego de la Comisión Tomapata Silveracucho en 2.9 Km implementados con sus respectivas obras de arte. Como parte de gestión de riesgo se instalará obras físicas de siembra de agua aguas arriba del canal colector de esa forma garantizar la infiltración de agua en la zona no saturada que permita la recarga hídrica. La

Bocatoma

Silveracucho,

comprende

la

construcción

de

esta

infraestructura hidráulica en el río del mismo nombre. Esta estructura hidráulica de captación tendrá una capacidad de derivación de 30 l/s, con la toma hacia la margen izquierda y será diseñado para un caudal máximo de 15.2 m3/s correspondiente a un periodo de retorno de 50 años, esta bocatoma adicionarà de agua de riego al canal regulado de la presa Patoccocha y beneficiará todos los comités de riego de esta Comisión. Línea de conducción a presión con TUB. PVC DN 250, 200, 160, 140, 110 y 90 mm en una longitud de 10.1 Km, obras de arte 01 bocatoma, 01 desarenador, 160 ml de drenaje en línea de conducción en 06 tramos, 10 canoas tipo II, 06 pase aéreo, 02 Cajas de Repartición, 50 ml de Muro de Protección, 24 cámara rompe presiones T-6, 02 cámaras de repartición y 10 válvulas de aire.

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Comité Pampacancha; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 600 m3, implementados con 12 CRPs, 08 Válvulas Purga, 08 Válvulas de Control, 02 Válvulas de Aire, 36 Hidrantes, Tuberías PVC de D=110 mm, D=90mm y D=63 mm en una longitud de 3.4 Kms. Comité Patasucro; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,300 m3, implementados con 49 CRPs, 10 Válvulas Purga, 18 Válvulas de Control, 02 Válvulas de Aire, 108 Hidrantes, Tuberías PVC de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 8.1 Kms. Comité Ccanis Pultunchara; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,500 m3, implementados con 29 CRPs, 22 Válvulas Purga, 18 Válvulas de Control, 02 Válvulas de Aire, 72 Hidrantes, Tuberías PVC NTP de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 7.2 Kms. Comité Ccanis Baja; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,100 m3, implementados con 16 CRPs, 10 Válvulas Purga, 14 Válvulas de Control, 06 Válvulas de Aire, 62 Hidrantes, Tuberías PVC NTP de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 3.8 Kms. Comité Vista Alegre; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 600 m3, implementados con 16 CRPs, 11 Válvulas Purga, 14 Válvulas de Control, 02 Válvulas de Aire, 72 Hidrantes, 02 Válvulas de Aire, Tuberías PVC NTP de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm

en

una

longitud de 3.9 Kms. Comité Puquiocucho; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 700 m3, implementados con 26 CRPs, 9 Válvulas Purga, 18 Válvulas de Control, 05 Válvulas de Aire, 49 Hidrantes, Tuberías PVC NTP de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 4.60 Kms. Comité Ccaccas; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,700 m3, implementados con 32 CRPs, 20 Válvulas Purga, 21 Válvulas de Control, 07 Válvulas de Aire, 102 Hidrantes, Tuberías PVC NTP de D=160 mm, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 8.1 Kms. Comité Pichccahuillca; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,300 m3, implementados con 48 CRPs, 20 Válvulas Purga, 22 Válvulas de Control, 04 Válvulas de Aire, 94 Hidrantes, Tuberías PVC D=200, D=110 mm, D=90 mm y D=63 mm

1.5.

en una longitud de 8.9 Kms.

Sistema de Riego Huancayocc Huamanccacca

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El sistema de riego Huancayocc Huamanccacca, atenderá la demanda hídrica de 311.25 has anuales (243.25 has campaña grande y 68 has campaña chica) y conducirá un caudal de demanda máxima de 85 l/s, este sistema se abastecerá con las aguas de los bofedales existentes en la misma cuenca los cuales se almacenarán y regularán de manera diaria. Línea de conducción a presión con TUB. PVC DN 200, 160, 110 y 90 mm en una longitud de 5.4 Km, obras de arte 05 bocatomas, 05 desarenadores, 09 canoas tipo II, 05 cámara rompe presiones T-6, 01 cámaras de repartición y 06 válvulas de aire. Comité Huamanccacca; Construcción de 03 Reservorios Agrícolas de 170, 400 m3 y otro de 400 m3, implementados con 25 CRPs, 29 Válvulas Purga, 24 Válvulas de Control, 06 Válvulas de Aire, 54 Hidrantes, Tuberías PVC de D=160 mm, D=110mm y D=90 mm en una longitud de 7.2 Km. Comité Huancayocc Alta; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 1,100 m3, implementados con 44 CRPs, 19 Válvulas Purga, 19 Válvulas de Control, 01 Válvula de Aire,86 Hidrantes, Tuberías PVC D=160 mm, D=110mm y D=90 mm en una longitud de 8.8 Kms. Comité Calqui Alta; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 800 m3, implementados con 29 CRPs, 26 Válvulas Purga, 20 Válvulas de Control, 03 Válvulas de Aire, 72 Hidrantes, Tuberías PVC D=160 mm, D=110mm D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 9.3 Kms. Comité Uchcumarca; Construcción de Reservorio Agrícola de un volumen de 600 m3, implementados con 10 CRPs, 23 Válvulas Purga, 21 Válvulas de Control, 04 Válvulas de Aire, 54 Hidrantes, Tuberías PVC D=160 mm, D=110mm D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 5.9 Kms. Comité Huancayocc Baja Reservorio

Agrícola

de

y un

Comité Puquiopampa; Construcción volumen

de

1,100

m3

y

180

de m3

respectivamente, implementados con 42 CRPs, 35 Válvulas Purga, 34 Válvulas de Control, 04 Válvulas de Aire, 89 Hidrantes, Tuberías PVC D=160 mm, D=110mm D=90 mm y D=63 mm en una longitud de 13.0 Kms.

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2.

CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES EN OBRAS HIDRÁULICAS

2.1.

Consideraciones de Diseño Rivera Feijoó (2000); Hasta hace pocos años, el diseño estructural de los canales de conducción de agua, reservorios y otras obras hidráulicas era efectuado por el método de esfuerzos permisibles porque se consideraba que el "método de rotura" cuyo nombre preocupaba a los no entendidos en el diseño estructural, razón por la cual se cambió por el denominado "cargas factorizadas" o como se le conoce en sus siglas en Inglés LRFD (Load

&

Resistance

Factor

Design)]

no

ofrecía

el

grado

de

impermeabilidad suficiente a este tipo de obras; sin embargo los factores de carga fueron "calibrados" para controlar el ancho de grieta a 0.2 mm para estructuras sometidas a severas condiciones de exposición y de 0.25 mm para otras estructuras hidráulicas (para edificios se permite 0.4 mm para obras exteriores y 0.3 mm para obras interiores). Esto se logra con la incorporación de un "coeficiente de durabilidad sanitario" que se multiplica por los factores tradicionales de "carga última". 2.1.1.

Diseño por Cargas Factorizadas U = 1.7 H por empuje de suelos U = 1.7 F por presión de líquidos U = 1.4 D + 1.7 L carga muerta y viva

Multiplicar "U" por un "coeficiente de durabilidad sanitario":

2.1.2.

- Para refuerzo en flexión

1.30 U

- Para tracción directa

1.65 U

- Para para tracción. diagonal

1.30 U

- Zonas de compresión

1.00 U

Diseño por Esfuerzos de Trabajo Concreto: n=Es/Ec fc = 0.45 f'c

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Esfuerzos máximos recomendados Tracción 1,400 kg/cm2 Flexión (3/8", 1/2" y 5/8") - Para exposición severa 1,550 kg/cm2 - Para exposición normal 1,900 kg/cm2 La cuantía mínima por contracción y temperatura está vinculada al concepto del refuerzo requerido para controlar la fisuración producida por las fuerzas que se originan por el efecto de contracción de fragua aunado al hecho que el terreno presenta una restricción al libre encogimiento del concreto, por tal motivo esta cuantía dependerá de cuán grande es el elemento sin juntas, tal como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 2 Cuantía mínima por contracción y temperatura Cuando los elementos son gruesos, como el caso de las pequeñas presas, este concepto se aplica a una capa superficial de 30 cm de espesor, que actúa como una "piel reforzada" que confina a un núcleo de concreto sin armar. Si el refuerzo se encuentra en una cara en contacto permanente con el terreno los valores pueden reducir a la mitad. Para el diseño del refuerzo longitudinal de las estructuras tipo canales de agua, losas y otras estructuras apoyadas, cuando se hacen juntas muy espaciadas, se debe evaluar la fuerza de tracción que se produce cuando se trata de contraer el concreto y el terreno ofrece resistencia. Mientras que para verificar que no se produzca deslizamiento entre el muro de contención y el terreno se utiliza los valores mínimos de coeficientes de fricción, para el diseño del refuerzo longitudinal de las estructuras hidráulicas se toman los valores máximos, que en algunos casos llegan hasta "3".

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El refuerzo calculado de esta manera para elementos de concreto con espesores menores a 60 cm sale muy parecido a los obtenidos por "cuantía mínima".

2.1.3.

Comportamiento Hidrodinámico del Agua y Diseño Sísmico Es importante entender el comportamiento hidrodinámico del agua cuando está dentro de una estructura que las contiene. Para los reservorios apoyados lo importante radica en la evaluación de la altura del oleaje para evitar la sub presión sobre los techos o el derrame durante un sismo y para las estructuras elevadas lo fundamental es definir qué parte del agua acompaña al movimiento del reservorio como si fuera un peso adicional de la estructura (masa fija) y que parte del agua tiene un movimiento libre (masa móvil) y como se puede integrar al análisis sísmico de la estructura.

2.1.4.

Calidad del Concreto, Agrietamiento y Juntas Una de las características más importantes de las obras hidráulicas es la calidad apropiada de los materiales que se usarán, esto muchas veces es más importante que la misma capacidad para resistir los esfuerzos a los que estará sometida la estructura. De acuerdo a las recomendaciones del Comité 350 del ACI (Environmental Engineering Concrete Structures), uno de los aspectos más importantes que debe cumplir la dosificación del concreto está relacionado a la máxima. relación "agua/material cementante (a/c)", que es el mejor indicador para lograr concretos de buen desempeño. Una manera de lograr esa relación "a/c" de manera indirecta es utilizar concretos de resistencia elevada, no porque se requiera, sino más bien debido a que al dosificar estos concretos se está garantizando que la relación "a/c" sea baja. Calidad de Concreto Resistencia del Concreto Expuesto a condiciones "Severas" f´c = 280 min. No expuesto a Condiciones Severas f´c = 245min. Máxima relación a/c = 0.45

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Exposición sanitaria "Normal": - Cuando los líquidos tienen un ph > 5 o está expuesto a solución de sulfatos con menos de 1500 ppm. Exposición sanitaria"'Severa": Cuando los límites anteriores se exceden Con el objeto de "lograr estructuras de concreto con un razonable grado de impermeabilidad y para garantizar que el acero de refuerzo no tenga recubrimientos pequeños, es necesario tener presente las siguientes dimensiones mínimas en los elementos de concreto: Consideraciones estructurales Espesores mínimos de muros - Con h > 3 m. o más 30cm - Con h < 3 m. 15cm - Con recubrimiento de 5 cm o más 20cm - Espaciamiento máx. de refuerzo 30cm En el Perú, gran parte de las obras hidráulicas están ubicadas en la zona de la "Sierra", donde el clima puede ser nocivo, en esos casos es recomendable tomar en consideración las recomendaciones del Comité 306 del ACI para climas fríos. En general la incorporación de aire al concreto

permitirá

tener

concretos

más

impermeables;

esto

es

especialmente importante para las zonas frías. Clima Frío (ACI 306) Clima frío es cuando por más de 3 días consecutivos: − El promedio diario de temperatura del aire < 5º C − En 12 horas al día, la temperatura del aire <10º C "El promedio diario de temperatura del aire es el promedio de la mayor y menor temperaturas que ocurren durante el periodo de media noche a medio día" (Entre 12 pm y 12 m) En climas fríos, la temperatura del concreto en el momento de su colocación debe ser:

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-

Mayor a 13º C si el espesor de los elementos es menor a 30 cm

-

Mayor a 10º C si el espesor está entre 30 y 90 cm

-

Mayor a 7º C si el espesor está entre 90 y 180 cm

El concreto es un material muy bueno en cuanto a su capacidad para resistir esfuerzos de compresión, pero en contraposición también tiene un problema que ocasiona fuertes dolores de cabeza a los ingenieros, me refiero a que durante el proceso de endurecimiento se contrae. Las restricciones, sean de fricción contra el suelo o porque otros elementos se lo impiden, no permiten su libre encogimiento por lo que se generan esfuerzos

importantes

agrietamientos,

sobre

de

tracción

todo

cuando

que el

muchas

veces

proyectista

no

producen evaluó

las

consecuencias de estos efectos. Las temperaturas elevadas y el proceso constructivo inadecuado pueden producir agrietamientos. La magnitud de las grietas dependerá de las causas que las producen. La mejor forma de controlar las fisuras, además de indicar las dimensiones y armado en los planos del proyecto, es diseñar y detallar las juntas adecuadamente.

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3.

DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS

3.1.

Diseño Estructural de las Bocatomas Los principales aspectos hidráulicos y estructurales que se tuvieron en consideración en el diseño de una bocatoma, son: 

Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos a las obras de aducción. Estos sedimentos pueden producir inconvenientes, como son los depósitos de material en el canal (pueden restarle capacidad de porteo a la aducción), erosión en los revestimientos y máquinas hidráulicas (turbinas y bombas), colmatación de filtros en el riego tecnificado, etc. Con este objeto debería ser posible eliminar los bancos de los sedimentos depositados en la poza.



Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil, la que puede ser importante durante la operación de las compuertas de la barrera. Es importante la disipación de energía al pie de la compuerta desripiadora. Disipación de la energía al pie de la barrera vertedero, si ella existe, ya que su operación significa bajar un caudal importante en cota, desde el espejo de agua en la poza al nivel del río en la descarga.



Protección de la obra de las socavaciones que podrán producirse al pie de la barrera móvil, barrera fija, zonas de la expansión del flujo aguas abajo de las barreras, etc.



Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de los materiales finos del suelo de fundación (fenómeno de “piping”). También la determinación de las sub presiones para el diseño estructural de las obras.

Las características generales de esta bocatoma son: un barraje que servirá para elevar el nivel de agua de tal forma que sea captada por una ventada de captación. Comprende también una compuerta de limpia que servirá para limpiar y prevenir de posibles bolonerías y otros materiales que arrastre el rio. También contempla la construcción de muros de contención, un Rip Rap aguas abajo del Barraje. 3.1.1.

Sub Presiones y Filtraciones Bajo una Barrera o Considérese, a modo de ejemplo, un muro vertedero como el mostrado. Las zarpas o dientes que posee la estructura en sus extremos de aguas arriba y aguas abajo, tienen por finalidad, proteger a la estructura de la

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erosión retrógrada (que podría comprometer la seguridad de la obra) y limitar el flujo filtrante bajo la estructura disminuyendo las subpresiones bajo la estructura.

Figura 3 Diagrama típico de red de flujo Es importante el estudio de las filtraciones bajo la estructura, a fin de analizar la seguridad de la obra al fenómeno conocido como de “tubificación o piping”. Este fenómeno se produce cuando las velocidades de filtración son elevadas y capaces de arrastrar las partículas finas del suelo. Se produce de esta manera una ramificación de canalículos que van creciendo por pérdida de material produciéndose la degradación del suelo y la pérdida de sustentación de la estructura acarreando su colapso.

Los

tres

efectos

mencionados:

subpresión

(originan

fuerzas

desestabilizantes), filtración (pérdida de agua por debajo de la estructura) y la tubificación o piping (fenómeno que debe evitarse) están relacionados entre sí. En muchos casos para aliviar o disminuir las fuerzas debido a la subpresiones, se disponen drenes o ductos que conducen las filtraciones a presión atmosférica bajando la presión a cero junto al dren.

Diversos factores intervienen en el proceso de filtración bajo la estructura, entre las que pueden mencionarse:

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- Carga hidráulica total “H”

- Coef., de permeabilidad del terreno KP (generalmente difiere según la horizontal y vertical).

- Longitud del recorrido de las partículas líquidas bajo la estructura. Los dientes o zarpas influyen en la longitud del recorrido.

El

procedimiento

más

preciso

para

analizar

el

flujo

filtrante

bidimensional bajo una estructura hidráulica, es mediante el dibujo de la red de flujo. En realidad, la red de flujo entrega los datos requeridos para el análisis como presiones y velocidades. En obras menores no se requiere hacer un estudio tan detallado como el indicado, sino que basta aplicar criterios prácticos probados por las experiencias. Un procedimiento que se ha usado exitosamente en el diseño de muchas estructuras hidráulicas es el desarrollado por Bligh y Lane en el USBR, conocido como el criterio de la rotura hidráulica. Se denomina “longitud de ruptura compensada LRC” a la suma de las distancias verticales (todas las distancias con una inclinación mayor de 45º se consideran verticales), más 1/3 de las distancias horizontales (las distancias con inclinación menor de 45º se consideran horizontales). LRC = Lv + 1/3 * LH LRC =  LV + 1/3  LH

Se denomina “relación de carga compensada Rcc”, al cuociente entre el valor de LRC y la carga actuante sobre la estructura H. Rcc = LRC / H Para tener una obra segura contra la tubificación o piping es preciso que el valor del factor Rcc sea superior a un valor límite que depende del tipo de terreno. Los valores límites del Rcc se indican en la tabla siguiente. 3.1.1.1. Análisis de estabilidad del Barraje Ms.c. Ing. Jaime Pacheco Laura - Consultor

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Se presenta a continuación el cálculo Estructural de la Bocatoma Opanccay como típico ya que en anexos se presenta del restante de las bocatomas. a.- Calculo del centro de gravedad.

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CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DATOS

GRAFICO Profundidad de Dentellón Aguas Arriba

P d1 = 0.85 m

Talud de Dentellón Aguas Arriba

p= 0.20 m

Ancho de Cimentación de Dentellón Aguas Arriba

A d1 = 0.50 m E S = 0.40 m

Espesor de Proteción Aguas Arriba

L S = 2.50 m

Longitud de Protección Aguas Arriba

L B = 3.00 m

Longitud Base del Barraje Fijo

L P = 8.20 m

Longitud de la Poza Disipadora Profundidad de Dentellón Aguas Abajo

P d2 = 0.45 m

n

Ancho de Cimentación de Dentellón Aguas Abajo

A d2 = 0.50 m P= 1.10 m. PP= 0.80 m

Altura de Barraje Fijo Profundidad de Poza Disipadora

h R = 1.20 m

Altura de Relleno Aguas Arriba

m= 0.50 m

Talud de Corte del Relleno

n= 0.00 m EP= 0.80 m

Talud Barraje Aguas Arriba

nx hR

1 m A2

Pd1

1

A9

A1

p

ES

A4

1

Pd2

A3 p

X= 0.15 m

Distancia Horizontal de la Curvatura del Barraje Aguas Abajo Distancia Horizontal de la Curvatura del Barraje Aguas Arriba

Y C = 0.09 m

Distancia Vertical de la Curvatura del Barraje Aguas Arriba

nx = 0.10 m

Distancia Horizontal de Empalme

ny= 0.29 m

Distancia Vertical de Empalme

ny

A13

Y

EP

A7

A5

X

AX LB

Ad1

X C = 0.21 m

A X = 1.09 m

A6

LS

Espesor de la Poza Disipadora Umbral Poza Disipadora Aguas Abajo

Upd= 0.50 m

A10

A8

Profundidad del Dentellón al Final de la Poza Disipadora

yd= 2.05 m

A12

1

P

Talud de Dentellón Aguas Abajo

q= 0.20 m

FIGURA

xc x ycA11

Distancia Horizontal del Azud Aguas Abajo AREA

X

Y

AREA

X

Y

AX

AY

A1

P d2 *A d1

L B +(L S -((P d1 *p)+A d1 +(P d2 *p)))+(P d2 *p)+A d1 /2

P d2 /2

0.23

5.08

-0.45

1.14

-0.10

A2

((Pd1*p)*(Pd1))/2

L S -2/3*(P d1 *p)+L B

2/3P d1 -P d2

0.07

5.39

0.12

0.39

0.01

A3

((P d2 *p)*P d2 )/2

L B +L S -((P d1 *p)+A d1 +(P d2 *p))+2/3(P d2 *p)

P d2 /3

0.02

4.80

-0.15

0.10

0.00

A4

E S *(L S -(P d1 *p))

((L S -(P d1 *p))/2)+L B

E S /2

0.93

4.17

0.20

3.88

0.19

A5

((P+h R -Y C )*n)*E S

((P+h R -Y C )*n/2)+L B

E S /2

0.00

3.00

0.20

0.00

0.00

A6

(((P+h R -Y C )*n)*(P+h R -Y C ))/2

(((P+h R -Y C )*n)/3)+L B

((P+h R -Y C )/3)+E S

0.00

3.00

1.14

0.00

0.00

A7

(L B -(P+h R -Y C )*n)*EP

(L B -(P+h R -Y C )*n)/2

EP/2

2.40

1.50

0.40

3.60

0.96

A8

(X C +X)*(P+h R -Y C -EP)

(L B -((P+h R -Y C )*n)-(X C -X))+(X C +X)/2

((P+h R +E S -Y C -EP)/2)+EP

0.51

2.82

1.71

1.45

0.88

A9

(L B -((p+h R -Y C )+(X C +X)+nx ))*ny

((L B -(((P+h R -Y C )*n)+(X C +x )+nx ))/2)+nx

EP+ny/2

0.73

1.37

0.94

1.00

0.69

A 10

(2/3)*A X *(E S +h R +(P-Y C )-ny-EP)

nx +5*A X /8

EP+ny+(2/5)*(E S +h R +(P-Y C )-EP-ny)

1.11

0.78

1.70

0.87

1.89

A 11

1/4* π*X C *Y C

nx +A X +X+(4/3)*(X C / π )

E S +h R +(P-Y C )+(4*Y C )/(3 π )

0.01

1.43

2.65

0.02

0.04

A 12

(2/3)*X*Y C

nx +A X +3/5*X

E S +h R +(P-Y C )+(3Y C /8)

0.01

1.28

2.65

0.01

0.02

A 13

1/3*nx *ny

(3*nx )/4

EP+3*ny/10

0.01

0.07

0.89

0.00

0.01

6.04

34.68

11.99

12.45

4.57

X CG 

AX A 1

1

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1

YCG  

A1Y1

A

1

RESULTADOS

X CG = 2.06

Y CG = 0.76

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b.- Cálculo de las fuerzas y momentos CALCULO DE LAS FUERZAS Y MOMENTOS GRAFICO

DATOS

ɣ C= ɣW=

2,400.00 Kg/m3

Peso Específico del Concreto

1,000.00 Kg/m3

Peso Específico del Agua

H= 0.84 m.

Carga Hidráulica en la Cresta.

P= 1.10 m.

Altura de Barraje Fijo

h R = 1.20 m n= 0.00

H

Talud Barraje Aguas Arriba Longitud Base del Barraje Fijo

L S = 2.50 m

Longitud de Protección Aguas Arriba

0.18 % 0.09 %

EWd

Coeficiente Sísmico Horizontal

hT1

Coeficiente Sísmico Vertical

X CG = 2.06 m.

Centro de Gravedad Horizontal de la Estructura de Concreto

Y CG = 0.76 m.

Centro de Gravedad Vertical de la Estructura de Concreto

H T = 3.14 m.

Carga Hidráulica Total Aguas Arriba

y= 1.88 m.

ET1

1 n 1 m

O LB

Espesor de los Sedimentos Aguas Arriba Espesor de los Sedimentos Aguas Abajo

K= 0.30

ɣ sum = 1,550.00 Kg/m3 Σ A=

6.04 m2

K d = 0.60 % f= 0.60

NOM BRE

SP

Angulo Formado con la Horizontal y el Talud Natural de los Acarreos Peso Específico del Material en Estado Seco Porcentaje de Vacíos en el Material Peso Específico del Material Sumergido en el Agua Area Total de la Estructura Eficiencia del Dren Coeficiente de friccón del hormigón sobre el suelo húmedo

SIM BOLO

Peso Propio de la Estructura

W

PE

Peso del Agua sobre el Paramento Aguas Arriba

W

W1

Peso del Agua sobre la Loza Aguas Arriba

W

W2

Fuerza Sísmica Horizontal

E SH

Fuerza Sísmica Vertical

E SV

Empuje Hidrostático del Agua

EW

Empuje por Aceleración del Agua

E wd

Empuje de Tierras Aguas Arriba

E T1

Empuje de Tierras Aguas Abajo

E T2

Subpresión

Sp

-

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ESV

LS Presión Adimensional de Zangar

h T2 = 0.80 m. 2,250.00 Kg/m3

ET2 h T2

hR

Distancia donde se Desarrollara la Presión Hidrodinámica, medida a partir de la Superficie

h T1 = 1.00 m. Φ= 34.00 °

ESH

WPE

Cm= 0.65

ɣ seco =

P

EW 0.4HT

y/H T = 0.60 C= 1.19

WW2

HT

L B = 3.00 m

ψH= ψ V=

WW1

y

Altura de Relleno Aguas Arriba

ɣW

CATEGORIA

ɣ C° *  A i

Resistente

X CG

2.06

14,490.07

Resistente

L B -((H+P+hR)*n)/3

3.00

0.00

0.00

Resistente

L B +L S /2

4.25

7,850.00

33,362.50

*(((H+P+h R )*n)*(H+P+h R ))/2

ɣW

*(H+P+h R )*L S

ψH ψV

Actuante

* W PE

ɣ W /2 * (H+P+h R ) C*ψ H * ɣ W *H T 0.5*ɣ W *h T1 2 *tg 2 (45- Φ /2) 0.5*ɣ W *h T2 2 *tg 2 (45- Φ /2) K d *ɣ W *( ΣA) +

X

Y

Y CG

Actuante

* W PE 2

+

CUANTIFICACION DE RESULTADOS

PALANCA c/r AL PUNTO O

FORM ULA

BRAZO

0.76

EX

M . RESISTENTES M . ACTUANTES 29,891.62

1,976.19

2,608.21

2,690.25

-1,304.11

2.06

X CG

EY

Actuante

(H+P+h R )/3

1.05

4,929.80

5,159.86

Actuante

0.4H T

1.26

671.13

842.94

Actuante

1/3h T1

0.33

219.10

73.03

Actuante

1/3h T2

0.27

-140.23

Actuante

TOTAL

-

Pág. 21

37.39 7,472.90

-3,622.52

2.06

X CG

8,288.02

17,413.45

63,254.12

18,252.56

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c.- Verificación de la estabilidad. VERIFICACION DE LA ESTABILIDAD COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO

FSD 

(W

PE -S P )*f

ΣEX

10867.555

 1.2

FSD  8288.018

 1.2

FSD 

 1.2

1.311

Estabilidad al Deslizamiento Aceptable

VERIFICACION DE LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO F R=

ΣE X =

Fuerza Resistente

10448.069 8288.018

Si

FR



 EX

Verificación al Deslizamiento Aceptable

COEFICIENTE DE SEGURIDAD AL VOLCAMIENTO

FSV 

ΣM R ΣM A

2

FSV 

63254.12

2

FSV 

3.47

18252.56

2

Estabilidad al Volteo Aceptable

MAGNITUD DE LA RESULTANTE R= 19285.21 Kg PUNTO DE APLICACIÓN DE LA RESULTANTE Y CALCULO DE LA EXCENTRICIDAD

3.2.

X= 2.58 m

Distancia con respecto al punto O.

e= 1.08 m

Ex centricidad

Análisis Estructural de los Reservorios Cuando se trata de pequeños reservorios existen dos publicaciones de la Pórtland Cement Association (PCA) que trabajan con el sistema de cargas factorizadas (LRFD), su uso debe estar restringido a proyectos no muy grandes ya que se trata de métodos aproximados que asumen situaciones particulares para los extremos de los muros: borde superior libre y base articulada o empotrada. Cuando se aplique lo planteado por la PCA el criterio del ingeniero proyectista debe imponerse para determinar el caso que más se asemeje a la realidad o considerar una envolvente de todas situaciones extremas lo que conllevará a sobre dimensionar la estructura para cubrir el grado de incertidumbre, como esto último origina un sobre costo que no es recomendable para grandes estructuras.

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La primera publicación "Rectangular Concrete Tanks" presenta una serie de tablas para determinar los momentos de flexión en depósitos prismáticos de planta y elevación rectangular que puede utilizarse para el diseño de cisternas y tanques elevados. El diseño estructural se presenta en los anexos por cada reservorio agrícola

compatibilizando

la

información

geotécnica

y

el

dimensionamiento hidráulico.

4.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS OBRAS DE ARTE COMPLEMENTARIAS

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4.1.

Geometrías de las obras de arte: Las geometrías adoptadas son de sección rectangular de base mayor, el cual depende de las características del suelo, para el caso son revestidos con concreto armado en las obras de canal cerrado, desarenador y pozos disipadores y el canal es revestido con concreto simple f’c=2010 Kg/Cm2.

4.2.

Factores Técnicos: Suelo de Fundación (Pérdidas de Agua) Pendientes Máximas (Longitud canal, obras de arte asociadas, etc.)

4.3.

Factores Económicos: Costo del Revestimiento v/s Costo Agua El tipo de suelo donde se fundará el canal y las obras de arte asociadas se caracteriza mediante la exploración a través de calicatas o sondajes efectuados en el componente del estudio geotécnico.

4.4.

Efecto de la Napa Freática Sobre el Diseño de la Sección del Canal y Obras de Arte No existe napa freática en el trayecto del canal y las obras de arte, por lo que no se debe considerar su influencia sobre el revestimiento.

5.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Ms.c. Ing. Jaime Pacheco Laura - Consultor

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Programa Regional de Irrigación y Desarrollo Rural Integrado - PRIDER Expediente Técnico del Proyecto: ‘’Mejoramiento y Ampliación del Servicio de Agua Para Riego en la Zona de Esmeralda Alta, del Distrito de Luricocha y Distrito de Huanta, Provincia de Huanta – Departamento de Ayacucho” Diseño Estructural del Sistema de Riego

Respecto a las estructuras proyectadas, se consideraron los aspectos técnicos necesarios en el diseño estructural, por la envergadura de la obra se presenta el respectivo cálculo principalmente en la bocatoma y los reservorios agrícolas. Ningún proyecto tendrá buenos resultados si no se desarrollan los detalles constructivos que tengan las siguientes consideraciones: 

Que estén acordes con los diseños efectuados.



Que

contemplen

su

ejecutabilidad,

en

otras

palabras,

los

constructores deben tener capacidades ingenieriles calificadas para su interpretación de ser necesario su verificación. 

El diseño se efectuó tomando las condiciones locales del área del proyecto, se ha tenido en cuenta la suficiente "intuición" sobre la naturaleza de los esfuerzos y deformaciones que se han de presentar para tratar de mitigarlos con detalles apropiados.

En el proceso constructivo se debe tener en obra especial atención los siguientes aspectos: 

La compactación del terreno de soporte. En algunos casos la parte crítica está en la compactación de las superficies inclinadas.



La impermeabilización en las juntas, ya sean requeridas en las juntas entre diversos elementos de concreto o pases de tuberías.

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