372 anexo 9. memoria de calculo diseno canal perimetral

CONSULTORA CPH LIMITADA

JUAN MOYA N° 72 – ÑUÑOA – SANTIAGO [email protected] Fono-Fax 3715084

SCM TAMBILLOS

MEMORIA DE CALCULO CANAL PERIMETRAL PROYECTO DE TRANQUE DE RELAVES

CPH consultores Juan Moya 072 APROBACION CLIENTE: : Ñuñoa, Santiago FECHA: :

REV. FECHA POR REVISO APROBO APROBACION CLIENTE DESCRIPCION

A 20/10/2010 ROV SAF EMITIDO REVISION INTERNA

B 22/10/2010 ROV Cliente Cliente EMITIDO PARA APROBACIÓN CLIENTE

0 28/10/2010 ROV Cliente Cliente DOCUMENTO FINAL



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INDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCION .............................................................................................. 3

2. ANTECEDENTES ............................................................................................. 4

3. CRITERIOS Y PARAMETROS DE DISEÑO..................................................... 4

3.1. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD.......................................................................... 4

3.2. VELOCIDADES DE DISEÑO ............................................................................... 4

3.3. PENDIENTE DEL CANAL................................................................................... 4

3.4. REVANCHA .................................................................................................... 5

4. DISEÑO DEL CANAL DE CONTORNO............................................................ 5

4.1. PRECIPITACIÓN MÁXIMA DE DISEÑO.................................................................. 5

4.2. CAUDAL DE DISEÑO Y PERÍODO DE RETORNO .................................................. 6

5. DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL.............................................................. 12

5.1. VERIFICACIÓN HIDRÁULICA DEL CANAL PROPUESTO ......................................... 13

5.1.1. Descripción del programa Hec Ras..................................................... 14

5.1.1.1. Criterios de Modelación e información base..................................... 15

5.1.1.2. Datos de entrada para la modelación efectuada.............................. 16

5.1.2. Resultados del calculo del eje hidráulico para el canal de contorno. .. 17

6. TUBERIA FINAL DE DISPOSICION DE LAS AGUAS LLUVIAS .................... 19



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INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Datos pp máxima estación La Serena ..................................................... 5 Tabla 2 Datos curvas IDF para estación La Serena.............................................. 6 Tabla 3 Características morfométricas del área aportante.................................... 7 Tabla 4 Coeficientes de duración para t menores a1 hora (Bell, F.C. 1969). ..... 10 Tabla 5 Razón C (T)/C (T= 1 0) propuesta en la metodología de Verni-King ..... 11 Tabla 6 Determinación del caudal para distintos períodos de retorno. ............... 11

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 Plano de la cuenca hidrográfica ............................................................... 7 Figura 2 Plano del área aportante a la planta de SSM Tambillos .......................... 8 Figura 3 Sección transversal del canal propuesto................................................ 12 ANEXOS

A) PLANO DE PLANTA

B) RESULTADOS NUMERICOS EJE HUDRAULICO CANAL PERIMETRAL



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1. INTRODUCCION Esta memoria hidráulica presenta el diseño y verificación hidráulica del canal de contorno requerido para el proyecto de construcción del Embalse de Relaves de SCM Tambillos, el cual corresponde a un nuevo depósito de relaves a construirse dentro de los terrenos de la empresa. Dada la topografía y las condiciones climáticas del sector se considera un canal de contorno de sección trapecial con una longitud total aproximada de 1.754m, la disposición de dicho canal se muestra en la figura 1 siguiente y el plano de planta general del proyecto se puede visualizar en detalle en Anexo A. El caudal de dise-ño de la conducción será definido mediante el método racional en conjunto con los antecedentes entregados por SCM Tambillos.

Figura 1 Plano de ubicación del canal perimetral



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2. ANTECEDENTES Para el diseño del canal de contorno se utiliza la estadística meteorológica de pre-cipitaciones de la estación La Serena, mientras que el levantamiento Topográfico en planta proporcionado por SCM Tambillos nos permitirá determinar el trazado del canal.

3. CRITERIOS Y PARAMETROS DE DISEÑO Para la evaluación y diseño del canal de contorno se tomaron los criterios y pará-metros que se presentan a continuación.

3.1. Coeficiente de Rugosidad El canal de contorno se diseñará excavado en tierra e impermeabilizado con HDPE de 1 mm de espesor, por lo que en la verificación hidráulica se utilizará un coeficiente de rugosidad de Manning de n= 0,009.

3.2. Velocidades de Diseño En el caso de éste canal, dado que se encuentra impermeabilizado con HDPE, las velocidades máximas y mínimas de diseño no son un problema pues no hay so-cavación ni erosión lateral; por otra parte el material que pudiera quedar deposi-tado en el canal será limpiado.

3.3. Pendiente del Canal La pendiente general del canal de desvío de aguas naturales se ajustará a un va-lor tal que se acomode a la topografía existente; dado el diseño adoptado, se es-timaron valores de pendiente para los distintos tramos (1, 2, 3, 5 y 6), casos en los cuales las pendientes variarán entre 1%, 0,66%, 1,7%, 1,55 y 0,4 respectivamen-te.



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3.4. Revancha Para escurrimiento subcrítico se utilizará el criterio de la DOH, que recomienda una revancha de 15% de la altura del agua, con un mínimo de 0,15 m.

4. DISEÑO DEL CANAL DE CONTORNO

4.1. Precipitación máxima de diseño Los antecedentes recopilados en la Dirección General de Aguas (DGA) del Mi-nisterio de Obras Públicas están relacionados con las estadísticas pluviométri-cas de la estación meteorológica ubicada en La Serena. Las precipitaciones máximas en 24 horas en dicha estación para distintos períodos de retorno son los siguientes y la determinación de la curva IDF de dicha estación han sido ex-traídos del Plan maestro de Aguas lluvias Coquimbo – La Serena (DOH- 2004).

Tabla 1. Datos pp máxima estación La Serena

Basados en el análisis de frecuencias y en los coeficientes de duración propuestos por Bell y Varas y Sánchez se obtuvo la curva IDF empleando la siguiente expresión.



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De lo que resulta lo siguiente, precipitaciones máximas en 24 horas para distintas duraciones.

Tabla 2. Datos curvas IDF para estación La Serena

4.2. Caudal de Diseño y Período de Retorno El canal de contorno será diseñado para un periodo de retorno de 100 años, de acuerdo con las recomendaciones y criterios para el diseño de obras de cierre complementarias de la “Guía Metodológica para el Cierre de Faenas Mineras” y las exigencias habituales de las autoridades para este tipo de obras. Para obtener el dato de caudal máximo de crecida es necesario conocer algunas características morfométricas de la cuenca en estudio, las cuales se presentan en la tabla siguiente. Sobre lo anterior es relevante señalar que la planta de SCM Tambillos se en-cuentra ubicada fuera del álveo principal de la cuenca, a una cota sustantiva-mente superior (Ver plano en figura 2 siguiente), dado lo anterior, el canal peri-metral del embalse que protege las obras de este proyecto se ha evaluado para recibir las aguas de la ladera oriente de la cuenca, según muestra la figura 2.



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Tabla 3 Características morfométricas del área aportante

Característica Magnitud

Área Considerada Pluvial (Km2) 1,1

Longitud Cauce (Km) 1,5

Desnivel máximo (m) 250

Figura 2 Plano de la cuenca hidrográfica



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Figura 3 Plano del área aportante a la planta de SCM Tambillos El método de cálculo que se desarrolla en esta memoria para obtener el caudal máximo asociado a un determinado periodo de retorno es el Método Racional siguiendo la aplicación propuesta por DGA en el Manual de Calculo de Crecidas y Caudales Mínimos en Cuencas sin Información Fluviomérica (DGA, 1995).



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Dado el tamaño de la cuenca, inferior a 20 km2, el único método posible de usar, sin generar grandes distorsiones, es el método Racional. La fórmula Racional es un método ampliamente conocido en hidrología y funciona relativamente bien en cuencas sin control fluviométrico, con áreas menores a 20 Km2. Además, es apli-cable para períodos de retorno inferiores de 100 años. El cálculo de caudales que se realiza a través del método Racional, utiliza la fór-mula que se expresa a continuación:

Q = C I A

3.6

× ×

En que: Q : Gasto máximo en crecida, en m3/s C : Coeficiente de escorrentía I : Intensidad máxima, correspondiente a una lluvia de duración igual

al tiempo de concentración del sector analizado, en mm/hr. A : Superficie de la zona aportante, en km2.

Los cálculos efectuados implican los siguientes antecedentes, el Nº indica la co-lumna de la tabla de resultados de la aplicación. Columna 1 Período de retorno (PR) Columna 2 Coeficiente empírico de período de retorno 10 años (Ref 1)1 Columna 3 Curva de frecuencias de coeficientes empírico referido al valor de

período de retorno 10 años (Ref 1) Columna 4 Coeficiente de período de retorno T años (Ref 1) Columna 5 Precipitación diaria máxima de período de retorno 10 años Columna 6 Coeficiente de frecuencia de la cuenca (Ref 2)2 Columna 7 Curva de frecuencias de precipitación diaria máxima Columna 8 Tiempo de concentración de la cuenca Columna 9 Coeficiente de duración para el tiempo de concentración Columna 10 Intensidad media de la precipitación para una duración igual al tiem-

po de concentración y para un período de retorno T Columna 11 Curva de frecuencia del caudal instantáneo máximo para cada PR

1 DGA. 1995. Manual de Calculo de Crecidas y Caudales Mínimos en Cuencas sin Información Fluviomérica 2 DGA. s/f. Balance Hídrico de Chile.



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En este caso el tiempo de concentración de la cuenca se calculó mediante la su-gerencia efectuada por la DGA (Ref 1) aplicando la formula del California High-ways and public Work de EEUU. Este señala lo siguiente. tc= 0,95(L3 / H )0,385 Donde: L corresponde al largo del cauce principal (Km) y H al desnivel máximo de

la cuenca (m). Efectuando la aplicación resulta un tiempo de concentración de 0,18 horas. Morfológicamente el proyecto ”Embalse de Relaves, SCM Tambillos” se ubica en un interfluvio, esto es entre dos pequeñas quebradas de cabecera; la cuenca que se podría asociar al área corresponde mas bien a una “ladera”, que aguas arriba se encuentra cortada por el camino de la mina. No obstante, se calculó el área aportante total entre ambas quebradas, la que se considera para efectos de cal-cular el caudal que se vería interceptado por el proyecto. Para esta aplicación, se estableció mediante software arcview el área de la cuenca, el desnivel y la longi-tud del cauce principal, los que se estimaron en 1,1 Km2, 250 m y 1,5 km respec-tivamente (datos tabla 3). Dado el tiempo de concentración de la cuenca (10,8 minutos), el coeficiente de duración de la lluvia que se usará es el coeficiente de duración para tiempos me-nores a 1 hora, según lo siguiente (se aproxima a 10 minutos).

Tabla 4 Coeficientes de duración para t menores a1 hora (Bell, F.C. 1969). La distribución de caudales aplicando la metodología propuesta por la DGA se presenta a continuación.



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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11T (años) C(10) C(T)/C(10) C(T) P24

10 (mm) CFT P24T (mm) tc (hrs) CDtc Itc

T Q (m3/s)

2 0,078 0,44 0,034 2,9 0,650 1,90 0,18 0,072 0,76 0,00805 0,078 0,75 0,059 2,9 0,880 2,57 0,18 0,072 1,03 0,0184

10 0,078 1,00 0,078 2,9 1,000 2,92 0,18 0,072 1,17 0,027820 0,078 1,26 0,098 2,9 1,050 3,07 0,18 0,072 1,23 0,036850 0,078 1,62 0,126 2,9 1,160 3,39 0,18 0,072 1,35 0,0523

100 0,078 1,91 0,149 2,9 1,760 5,14 0,18 0,072 2,06 0,0936

Para el cálculo del caudal de diseño se ha adoptado el coeficiente de escorrentía base C(T=10) propuesto para la IV región, Cuenca del Limarí que de acuerdo a la metodología toma un valor de C(T=10)=0,078. Para determinar el coeficiente de escorrentía C(T), asociado a una frecuencia T años, se utiliza la razón C(T)/C(T=10) presentada en la tabla siguiente, propuesta en la metodología de Verni-King contenida en el “manual de cálculo de crecidas y caudales mínimos en cuencas sin información fluviometrica”, DGA, 1995.

Tabla 5 Razón C (T)/C (T= 1 0) propuesta en la metodología de Verni-King

T (años) C(T)/C(T=10) IV Región, Limari

2 0.44 5 0.75 10 1.00 20 1.26 50 1.62 100 1.91

Fuente DGA.

Finalmente, la Tabla siguiente resume el procedimiento de cálculo para la deter-minación del caudal de diseño del canal de contorno.

Tabla 6 Determinación del caudal para distintos períodos de retorno.



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5. DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL El canal de contorno recibirá el caudal aportado por la subcuenca aportante, te-niendo un caudal máximo instantáneo de 0,0936 m3/s, o su equivalente de 93,6 l/s, asociado a un período de retorno de 100 años. La sección a adoptar, se pre-senta en la figura siguiente.

Figura 4 Sección transversal del canal propuesto

El canal proyectado, que se muestran en la figura 4 anterior, permite el escurrimiento sin problemas del caudal máximo proyectado, pues es posible aseverar que las magnitudes físicas del canal exceden las mínimas necesarias para transportar el caudal de 93,6 l/s (las mínimas son un tirante de 0,18 m, una base de de 0,27 m, una sección mojada de 0,06 m2 y una revancha de 0,09 m), valores muy por debajo de las magnitudes del canal proyectado. El caudal porteado se dispondrá en siguiendo la pendiente natural de una quebrada ubicada en la zona de la pista de aterrizaje, las aguas dentro de la planta serán conducidas en acueducto por tuberías de HDPE de 160 mm. Dadas las magnitudes del canal proyectado y en régimen de escurrimiento subcrítico, la sección del canal para los caudales de PR 2 a PR 100 años es la siguiente.



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-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8124.5

124.6

124.7

124.8

124.9

125.0

RS = 709

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PR 100 años

WS PR 20 años

WS PR 10 años

WS PR 50 años

WS PR 5 años

WS PR 2 años

Ground

Bank Sta

Figura 5 Alturas de agua en la sección proyectada

5.1. Verificación hidráulica del canal propuesto El canal propuesto, se ha verificado en su funcionamiento hidráulico mediante aplicación del software HEC RAS versión 4.0 El objetivo del modelo implementado es evaluar el comportamiento del flujo de los distintos caudales para las condiciones de sección, recubrimiento y pendientes anteriormente señaladas, verificando que los caudales son posibles de transpor-tar. El programa HEC-RAS permite modelar diversos tipos de cauces, tanto canales abiertos, alcantarillas y cauces naturales, asociándoles condiciones de rugosidad distinta de acuerdo a la disposición real del cauce en estudio. A su vez, permite incluir como singularidades las obras de infraestructura típicas de cauces en sec-tores urbanos o rurales, como acueductos, puentes, vertederos, alcantarillas de diversa geometría, etc. Los detalles de la versión usada se presentan a continua-ción



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Figura 6. Versión Hec-Ras usada. El programa requiere como datos de entrada la geometría del cauce o canal a modelar y las singularidades existentes, además de los correspondientes coefi-cientes de rugosidad. La información geométrica se ingresa a través de secciones transversales. Hec-Ras entrega como resultado ejes hidráulicos en cada perfil. Previo a su ope-ración, se deben fijar condiciones de borde y caudales pasantes. En particular, el programa entrega valores de altura de agua (eje hidráulico), altu-ras crítica y normal, así como muchos otros indicadores tales como perímetro mo-jado, sección transversal, caudal, velocidad, etc.

5.1.1. Descripción del programa Hec Ras El programa computacional Hec-Ras fue desarrollado por el U.S. Army Corps of Engineers como herramienta para el cálculo de ejes hidráulicos en cauces natura-les o artificiales, para flujo uniforme o gradualmente variado, en condiciones de régimen permanente o impermanente.



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Los pasos que regularmente se necesitan para la creación de un proyecto en Hec-Ras son los siguientes: Ingreso de datos generales del proyecto: en esta parte se ingresa el nombre del proyecto y unidades métricas en las cuales se quiere que se desarrolle el proyec-to. Ingreso de datos geométricos: Se debe ingresar todos los datos geométricos del proyecto tales como perfiles transversales, distancia entre perfiles, coeficientes de rugosidad (del lecho y paredes), coeficientes de contracción y expansión, descrip-ción de las secciones transversales, etc. Los perfiles deben ser ingresados con una numeración creciente desde aguas abajo hacia aguas arriba del tramo que será estudiado. Ingreso de estructuras: Se debe ingresar todas las estructuras u obras de arte pre-sentes en el cauce que pueden alterar el eje hidráulico como: puentes, pasarelas, alcantarillas, vertederos en línea o laterales, compuertas, etc. Ingreso de datos de flujo: se ingresan en este punto los caudales a ser analizados para los distintos periodos de retorno considerados. Ingreso de condiciones de borde: Las condiciones de borde que se pueden ingre-sar son: altura de escurrimiento conocida en alguno de los extremos en estudio, imposición en uno de los extremos de la altura crítica, pendiente longitudinal de un tramo del canal aguas abajo o aguas arriba del tramo en estudio (imposición de régimen subcrítico o supercrítico, inclusive régimen mixto), o la utilización de una curva de descarga aguas abajo o aguas arriba del tramo estudiado. Cálculos: se puede especificar cantidad de iteraciones que realice para encontrar la solución, tolerancias de las distintas variables, tipo de método para calcular la pendiente media de energía entre las distintas secciones transversales, etc. Resultados: los resultados que entrega el programa pueden ser gráficos o tabula-ciones. Gráficamente se puede apreciar el nivel de agua (de escurrimiento y altura crítica) tanto para los perfiles transversales como en perfil longitudinal. Las tabu-laciones muestran las distintas variables para cada perfil transversal, expresadas en valores como por ejemplo, velocidades, altura crítica, línea de energía, etc.

5.1.1.1. Criterios de Modelación e información base En el caso de obras de infraestructura, Hec-Ras permite la modelación de puentes y cruces de manera directa y simple, basándose en su geometría. En la aplicación



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efectuada, se procedió a modelar la situación sin proyecto para los caudales de-terminados en el estudio hidrológico y para la situación con proyecto, esto es un canal de sección uniforme, recubierto en HDPE y con pendientes uniformes en tres tramos, según lo señalado anteriormente. 5.1.1.2. Datos de entrada para la modelación efectuada Como se explicó en el punto anterior, Hec-Ras requiere, como datos de entrada, perfiles transversales topográficos asociados las secciones de interés del cauce. Para el cauce analizado, se realizó un levantamiento topográfico que permitió la generación de perfiles transversales, que se interpolaron cada 20 metros, los cua-les fueron ingresados íntegramente al modelo a través de sus coordenadas y co-tas. La Figura siguiente muestra la planta de los perfiles en la aplicación efectuada.

Figura 7. Planta de ubicación de perfiles Hec-Ras



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Figura 8. Ejemplo de datos geométricos de entrada Hec Ras (perfil 709) El programa requiere incorporar condiciones de borde hidráulicas, tanto al inicio como al final del cauce. La aplicación se ha efectuado considerando escurrimiento normal al inicio y al final de cada tramo modelado, con una pendiente de flujo si-milar a la pendiente del terreno en los 5 tramos modelados, el coeficiente de con-tracción expansión utilizado fue de 0,3. Se han incorporado al modelo Hec-Ras los caudales obtenidos de la estimación de caudales efectuada en el estudio hidrológico expuestos en al tabla 6 para los distintos períodos de retorno analizados.

5.1.2. Resultados del calculo del eje hidráulico para el canal de contorno. Los resultados numéricos del eje hidráulico de los tres tramos calculados, se pre-sentan en el anexo B. Con respecto a esto, se puede señalar que en ningún caso los caudales proyectados sobrepasarán la revancha y la obra permitirá la adecua-



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Legend

WS PR 2 años

WS PR 5 años

WS PR 10 años

WS PR 20 años

WS PR 50 años

WS PR 100 años

Ground

Bank Sta

Ground

Legend

WS PR 2 años

WS PR 5 años

WS PR 10 años

WS PR 20 años

WS PR 50 años

WS PR 100 años

Ground

Bank Sta

Ground

da protección de los taludes del tranque frente a las precipitaciones máximas que se registran en la zona. La figuras 9 y 10 siguientes muestra los resultados en 3D de la modelación efec-tuada, donde queda claro que los Bank Sta (bordes del canal señalado por los puntos y líneas en rojo) siempre se encuentran por sobre los niveles de agua pa-ra todos los PR calculados.

Figura 9. Modelación 3D, de todo el canal

Figura 10 Detalle 3D del eje hidráulico



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6. TUBERIA FINAL DE DISPOSICION DE LAS AGUAS LLUVIAS Las aguas lluvias recolectadas por el canal perimetral, serán dispuestas siguiendo el sentido de la pendiente a través de los dos brazos de desagüe del canal, estos brazos corresponde a las secciones 3 y 5 del canal. Se estima que el caudal recolectado se repartirá en cada brazo. Al final de los brazos se conectarán, mediante una cámara de hormigón, tuberías de HDPE de 160 mm de diámetro (6,299 inches) que conducirá las aguas por el interior de la planta hasta desaguar en la quebrada sin nombre que se ubica aguas debajo de la planta, en el sector de la pista de aterrizaje existente. Las tuberías, según se presenta a continuación, permiten transportar el caudal máximo de diseño de 93,6 l/s en acueducto.



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