4. Las informaciones y conceptos expresados en esta conferencia se hacen con el
propósito de divulgar e informar de manera general sobre los temas
relacionados con el concreto.
ASOCRETO no es ni pretende ser asesor de proyectos específicos. Cualquier
duda en relación con obras específicas debe ser consultada por el interesado
con los diseñadores e interventores de la respectiva obra.
El uso que se haga de las informaciones y conceptos aquí expresados no
conllevan responsabilidad alguna para ASOCRETO ni para los conferencistas,
ya que debe ser utilizada por personas idóneas bajo su responsabilidad y
criterio. Esta información no sustituye las funciones y obligaciones de las
personas contractualmente responsables de la concepción, ejecución y
vigilancia de los respectivos proyectos. Los conceptos expresados no son
asesoría para una obra en particular.
9. Túneles Hidráulicos
Los túneles hidráulicos básicamente son
aquellos destinados a conducir agua.
Esta definición aunque parezca obvia pone de
presente el hecho, conducir agua, que les
confiere su singularidad.
Existe una gran variedad en cuanto a su uso:
• Aprovechamiento hidroeléctrico
• Abastecimiento de agua
10. • Alcantarillado sanitario y alcantarillado
pluvial
• Trasvase de cuenca
• Riego
• Drenaje
• Enfriamiento de plantas térmicas
En cuanto a su diseño los túneles
hidráulicos presentan, respecto a los demás
túneles, la particularidad de que pueden
tener una presión interior.
11. Desde los puntos de vista de geología,
geotecnia y construcción los túneles
hidráulicos no presentan diferencias
importantes con otros túneles.
En Colombia se han construido cientos de
kilómetros de túneles hidráulicos y siguen en
auge debido a la creciente necesidad de
energía y al saneamiento de las ciudades.
14. Túnel de Eupalinos
En el año 530 a.C. el tirano Polícrates estaba
preocupado por llevar agua a la ciudad griega de
Samos. Había fuentes de agua pero estaban al
otro lado del monte Castro.
El ingeniero Eupalinos fue el
encargado de construir un
túnel que atravesara ese
monte.
Fuente: Google Earth
Samos
15. Planta Túnel de Eupalinos
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
16. Perfil Túnel de Eupalinos
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
17. Sus hombres excavaron desde ambos
extremos y se encontraron casi en el medio
de su longitud de 1036 m cuya diferencia de
altura entre los dos portales es de 1.80 m.
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
19. Túneles hidráulicos en
Colombia
En Colombia los túneles hidráulicos
están representados principalmente
por los de las hidroeléctricas y los de
abastecimiento de agua. En los últimos
años ha habido un incremento en la
construcción de túneles para
alcantarillado.
20. Existen túneles en hidroeléctricas como:
Guatapé, Guadalupe IV, La Tasajera,
Playas, Porce II, Porce III, Troneras,
Jaguas, San Carlos, Chivor, Miel I,
Salvajina, Urrá I, Canoas, Colegio, La
Guaca, Guavio, El Paraíso, Laguneta,
Salto II, Betania, Río Mayo, Prado, Alto
Anchicayá, La Ínsula, Calima, Bajo
Anchicayá, Niquia, Calderas, Nima1-2,
Caracolí y otras de menor capacidad.
21. Como túneles para abastecimiento de agua y
para alcantarillado se encuentran entre
otros: Palacio-Ríoblanco, El Faro, Siberia,
Usaquén (2), Santa Bárbara, Ranchería, Los
Rosales, Interceptor Río Bogotá, Interceptor
Fucha-Tunjuelo, Interceptor Tunjuelo Bajo.
Para trasvases se han construido entre otros
los túneles de Río Rucio, Río Negro, Río
Tenche, Río Tunjita, Río Chivor, Río
Guatiquía, Río Batatas, Q. Leticia
22. Muchos de los túneles de presión están
acompañados de pozos y de almenaras que
así mismo constituyen obras subterráneas
hidráulicas.
En Colombia hay cerca de 325 km de túneles
hidráulicos y unos 7.5 km de pozos
hidráulicos. Para un total aproximado
de 332.5 km.
Como cifra comparativa en la actualidad
existen en el país alrededor de 78 km de
túneles viales.
24. Túnel Laguna de Fúquene
Los terrenos que rodean la laguna de
Fúquene sufren inundaciones periódicas.
Para secar los terrenos el ingeniero Manuel
H. Peña propuso en el año 1877 construir un
túnel de 17.63 m2 de sección y 1400 m de
longitud.
El túnel comenzó a construirse a razón de
40 cm/día pero en 1878 la obra se paralizó.
25. En 1936 el ingeniero E. Santo Pottes se
ocupó también del problema de las
inundaciones criticando el diseño de un
túnel de 1740 m sugerido en 1926 por la
firma Julius Berger y propuso desecar
sólo con canales.
No se sabe a ciencia cierta qué pasó pero
existe un túnel del año 1919 a medio
construir.
26. Plano General de la Laguna de Fúquene
1934
Fuente: Biblioteca Banco de la República.
32. Túneles de Desviación
Los túneles de desviación se excavan y revisten
previamente al periodo de construcción de una
presa. Junto con las ataguías se emplean para
permitir secar y excavar el lecho del río donde se
va a cimentar la presa.
El tamaño de los túneles de desviación tiene que
ver con el concepto de riesgo de poblaciones
aguas abajo y con el cronograma de
construcción de la presa.
33. Estos túneles tienen un costo considerable y
por lo tanto se debe tratar, siempre que sea
posible, de utilizarlos como:
• Descargas de fondo
• Obras de toma
• Rebosaderos
una vez terminada su función de desvío.
35. Hidroeléctrica Urrá I
Para construir la presa de la central hidroeléctrica
Urrá I el sistema de desviación del río Sinú contó
con 2 túneles, inicialmente diseñados con
revestimiento de concreto.
Por razones de programación, para cumplir con la
fecha de desvío en el verano de 1996 y no atrasar
el proyecto un año, se decidió revestir el arco y las
paredes del túnel No.2 con concreto lanzado en la
mayoría de su longitud.
36. Después de 4 años de funcionamiento, los dos
túneles mostraron un estado excelente en sus
revestimientos.
Por la experiencia obtenida con los túneles de
desviación de la hidroeléctrica Urrá I se puede
concluir que el revestimiento liso de concreto y el
revestimiento rugoso de concreto lanzado,
pueden presentar el mismo comportamiento
estructural para resistir las fuerzas
hidrodinámicas generadas por el caudal líquido y
sólido del río.
37. Túnel de Desviación Nº 1
Revestimiento con concreto convencional
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
Túnel de Desviación Nº 2
Revestimiento con concreto lanzado
40. Los troncos y árboles caídos que arrastran las
crecientes causan serios problemas de
obstrucciones en las entradas de los túneles de
desviación.
Para reducir o evitar el problema se recomienda
abocinar el portal de entrada con curvas verticales
mas amplias que las recomendadas por el cálculo
hidráulico. El alineamiento horizontal del túnel
debe tener curvas de radio grande con relación a
su diámetro.
Problemas con troncos
41. Problemas con troncos
Presa Ing.
Martín Elvira
(Onia), Estado
Mérida
Venezuela.
Hidroeléctrica Urrá I
Fuente: Ing. L. M. Suárez Villar
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
43. El agua, como muchas otras substancias, tiene
dos clases de energía: cinética y potencial.
Ambas clases de energía juegan un papel muy
importante en el diseño de los túneles
hidráulicos.
La energía cinética se manifiesta en velocidad
de flujo y en presión dinámica. La energía
potencial se exterioriza como presión
estática.
Túneles y energía del agua
44. La velocidad influye sobre el revestimiento y sobre
la sección del túnel. Las presiones estática y
dinámica rigen el confinamiento del túnel, que
consiste en la habilidad del macizo rocoso para
resistir la presión interna sin ayuda de un
revestimiento.
Si el confinamiento es inadecuado puede haber
gateo hidráulico con abertura de grietas que llevan
a fugas de agua.
Se dispone de varias técnicas para calcular el
confinamiento tanto vertical como lateral, cada una
con sus respectivos méritos y deficiencias.
45. Presión interna y presión externa
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
50. Consiste en la formación, movimiento y colapso
de cavidades de vapor en un fluido.
Las cavidades de vapor, o burbujas, se forman
donde la presión en el fluido llega a ser
subatmosférica lo que hace que se convierta en
vapor.
Las cavidades de vapor son arrastradas por el
fluido a regiones de más presión donde el vapor
no puede existir como tal.
Cavitación
51. Cuando una cavidad colapsa cerca de una
superficie sólida desarrolla una púa de líquido
denominada microjet que impacta la superficie.
Enseguida la cavidad rebota y produce una onda
de choque que golpea la superficie también.
El mecanismo de colapso de las cavidades crea
presiones instantáneas de miles de kilos por
centímetro cuadrado que destruyen
la superficie de flujo.
52. Diagrama de estados del agua
Fuente: J. B. Jones y G.A. Hawkins. Engineering Thermodynamics, 1970.
56. El túnel de carga de Chivor II sigue un alineamiento
paralelo al de Chivor I.
Cuando se estaba llenando el túnel de Chivor I por
primera vez, se notó un descenso súbito de 16 m en
el nivel de agua en la almenara. Horas después
apareció una infiltración muy fuerte en el túnel de
carga de Chivor II que se encontraba en
construcción. La infiltración aumentó con el tiempo
hasta llegar a un caudal de 1.5 m3/s que inundó el
túnel y detuvo su excavación.
Presión Interna
57. Al desocupar el túnel de Chivor I se encontró que
el revestimiento de concreto en una zona de roca
muy alterada se había fracturado y desplazado
unos 2 cm. En esta zona se había hecho un
tratamiento muy especial que mostró ser
insuficiente.
La reparación del túnel esencialmente consistió en
colocar capas concéntricas de parrillas de acero
embebidas en capas de concreto lanzado, con
resultados muy satisfactorios.
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
58. Presión Externa
El túnel inferior de Chivor II tiene un blindaje de
3.9 m de diámetro.
En el proceso de instalación un día se registró un
pandeo rápido del blindaje en la clave de la
abscisa K6+075. La deformación se extendió en
media hora 13 m aguas arriba y 14 m aguas
abajo.
La deformación fue sinusoidal con un sólo lóbulo
de amplitud 2 m desde la clave del túnel. La
presión externa pudo llegar a ser unos 32
kg/cm2 .
59. La reparación se hizo instalando un nuevo
blindaje de menor diámetro.
En el mismo túnel y aproximadamente un
kilómetro aguas abajo, año y medio después del
pandeo descrito, ocurrió un fenómeno similar
pero en el cuadrante inferior derecho del
blindaje. La lámina alcanzó a tener una
deformación plástica del orden del 2%.
La reparación consistió en dejar la lámina
deformada y rellenar la ampolla con mortero.
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
60. Planta y perfil Chivor I
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
61. Planta y perfil Chivor II
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
62. Corte transversal Chivor I y Chivor II
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
63. Chivor II – pandeo del blindaje
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Túnel Inferior
64. El túnel Palacio – Ríoblanco tiene 28.4 km de
longitud entre el embalse de Chuza y Simayá. Para
su construcción se proyectó una Ventana en el K18.
El túnel originalmente fue concebido para trabajar a
presión en toda su longitud. En su extremo inferior
tenía dispuesta una válvula tipo Howell-Bunger.
El tramo del túnel entre Ventana y el portal de
salida, encontrándose en rocas de calidad muy
regular, era el que estaría sometido a mayor presión
interna (=12 kg/cm2).
Alineamiento vs. Presión
65. El consultor L.v. Rabcewicz
propuso un cambio en el
alineamiento que finalmente se
aceptó como el definitivo.
El cambio sugerido fue colocar
la válvula disipadora de energía
dentro del túnel en Ventana,
elevar el alineamiento entre
Chuza y Ventana e inclinar la
pendiente entre este sitio y el
portal de salida para convertir
este tramo en un túnel a flujo
libre.
L.v. Rabcewicz
67. Las ventajas de esta modificación fueron:
• Reducir la presión interna en 18 km de
túnel.
• Reducir a cero la presión interna en 10
km de túnel.
•Acortar la profundidad de los pozos del
Ríoblanco.
La alternativa de diseño no implicó
ningún costo adicional en el proyecto.
68. Planta y perfil sistema Chingaza
Fuente: Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, EAAB.
70. Un túnel presurizado no revestido es una fuente
de fugas, pero el concreto simple, el concreto
lanzado y el concreto reforzado como
revestimiento final deben ser tratados como no
existentes debido a que se agrietan por
retracción de fraguado y por la presión interna y
se convierten en una cáscara permeable.
Las mallas de acero lo que hacen es distribuir las
grietas y reducir la permeabilidad del
revestimiento.
Revestimiento en túneles hidráulicos
71. Si el revestimiento es más permeable que el
macizo de roca circundante la resistencia que
aporta a las fugas será mínima y la presión
interna total llega a la masa de roca.
El flujo a través de las grietas es del tipo
viscoso y la velocidad de este flujo aumenta
con el cuadrado del ancho de la grieta y el
caudal de fuga aumenta con el cubo de ese
ancho.
72. Donde:
q = caudal por longitud de grieta (cm3/s.cm)
Pi= presión interna (kg/cm2)
b = ancho de la grieta (cm)
μ = viscosidad dinámica (centipoises)
Por esta razón es deseable limitar el ancho de
grietas en túneles presurizados donde se ha elegido
poner un revestimiento.
Los procesos de cálculo correspondientes encierran
muchas variables, algunas difíciles de determinar
con precisión.
μ12
3
bP
q i
=
74. El propósito de las trampas es recoger
fragmentos de roca y suelo removidos de la
superficie del túnel sin revestir y pedazos de
revestimientos que hayan fallado por
fluctuación de presiones.
Las consecuencias de no atrapar estos
materiales son erosión de la solera y daños a
las turbinas.
Trampas de roca
75. La localización típica de las trampas de grava
es aguas arriba de los sectores revestidos con
concreto o blindados y algunas veces aguas
abajo de la intersección con pozos.
El volumen de la cámara se diseña como una
función de la superficie expuesta, por
ejemplo 1.3 m3 por cada 100 m2 de
superficie aguas arriba no revestida.
76. Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
