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-PALERMO- Diseño y Cálculo drenaje 02

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DISEÑO Y CÁLCULO DE SISTEA DE DRENAJE
“PFV PALERMO” 9 MWac
10-08-2021
DISEÑO Y CÁLCULO DE SISTEMA DE
DRENAJE
“PFV PALERMO”
9 MWac
Comuna de San Pedro – Provincia de Melipilla –
- Región metropolitana de Santiago– Chile
DISEÑO Y CÁLCULO DE SISTEMA
DE DRENAJE
“PFV PALERMO” 9 MWac
10-08-2021
ÍNDICE
1
INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 2
1.1
UBICACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO ..................................................... 2
2
ANTECEDENTES ....................................................................................... 2
3
HIDROLOGÍA ............................................................................................. 3
3.1
INTRODUCCIÓN .................................................................................... 3
3.2
PRECIPITACIÓN DE DISEÑO .................................................................. 3
3.3
CAUDAL DE DISEÑO.............................................................................. 4
4
ESTUDIO HIDRÁULICO ............................................................................. 8
4.1
CRITERIOS DE DISEÑO GEOMÉTRICOS ................................................... 8
4.2
CRITERIOS DE DISEÑO HIDRÁULICOS ..................................................... 8
4.3
METODOLOGÍA .................................................................................. 11
4.4
ELEMENTOS DE DRENAJE ............................................................ 11
Cunetas........................................................................................ 11
Comprobación hidráulica .............................................................. 13
4.4.3.
Cruce vial de acceso .................................................................... 14
4.4.4.
Comprobación hidráulica Obra de cruce ...................................... 15
4.4.5.
Cruce vial interior con badén ........................................................ 16
4.4.6.
Comprobación hidráulica cruce con badén ................................... 17
4.5
5
MANTENIMIENTO DE OBRAS ........................................................ 18
CONCLUSIONES ..................................................................................... 19
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DE DRENAJE
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1
INTRODUCCIÓN
El presente informe tiene por finalidad determinar el sistema hidráulico para el proyecto
Fotovoltaico Palermo, ubicado en la comuna de ubicada en la Región Metropolitana de Santiago,
Provincia de Melipilla, Comuna de San Pedro, Chile.
Para cumplir con lo anterior, se han desarrollado una serie de labores dentro de las que se
encuentran: Descripción de las principales variables hidrometeorologicas.
1.1
✓
Revisión de antecedentes entregados por el Mandante.
✓
Estudio de áreas de captación a partir de datos satelitales.
✓
Cálculo de caudales de diseño.
✓
Cálculo de sistema de drenaje para la planta.
Ubicación de la zona de estudio
La planta fotovoltaica se encuentra ubicada en la Región Metropolitana de Santiago, Provincia de
Melipilla, Comuna de San Pedro, Chile.
Ilustración 1. Situación de Parque solar "Palermo"
2
ANTECEDENTES
Para la realización del presente documento se dispone del reporte hidrológico realizado por
“Obsidiana Consultores” con fecha Febrero de 2020, y nombre de archivo “2.1.ANEXO A-5.10
INFORME DE HIDROLOGÍA”. En el mencionado reporte se estudia la hidrología del sitio, la
verificación de los canales y obras de arte localizadas en las inmediaciones del proyecto y que
afectan a la línea de evacuación. Los parámetros de hidrología detallados en el estudio hidrológico
serán utilizados en el presente estudio para obtener los caudales de diseño para el
dimensionamiento del drenaje para la planta.
Para conocer las cuencas de aportación del área de proyecto se ha obtenido la topografía de
la página web de infraestructura de Datos Geoespaciales de Chile.
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3
3.1
HIDROLOGÍA
Introducción
En el presente capitulo se presenta el estudio y cálculo para la obtención de la precipitación
de diseño y posteriormente los caudales de diseño.
A continuación, se presenta el desarrollo de los puntos.
3.2
Precipitación de Diseño
Se obtiene la precipitación de diseño a partir de los datos detallados en el reporte hidrológico
en el cual se definen precipitaciones máximas en 24 h para diferentes periodos de retorno en el
área de proyecto.
Para estimar la precipitación máxima en 24 h y periodo de retorno 10 años, necesario para
el cálculo de los caudales de diseño, se utilizaron las isoyetas estimadas por la DGA (Dirección
general de Aguas) (1995). En la siguiente figura se presenta la ubicación del proyecto y las
isoyetas estimadas por la DGA.
Ilustración 2. Isoyeta DGA "Palermo" y obtención de precipitación máxima. Fuente: Reporte hidrológico
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3.3
Caudal de diseño
Para el diseño se ha tenido en cuenta las infraestructuras existentes. Se ha consultado el
estudio hidrológico para localizar los canales existentes en las inmediaciones del proyecto:
Ilustración 3. Canales existentes. Fuente: Reporte hidrológico
Como protección para el proyecto se propone un canal perimetral en la zona sur, protegiendo
las instalaciones y el vial principal de las escorrentías proventientes del exterior. Las cuencas de
captación y el trazado del canal se pueden observar en la próxima ilustración:
Ilustración 4. Canales propuestos para el diseño y cuencas de captación.
Dadas las pendientes en el interior de la instalación (0-1 %), no se considera necesario la
instalación de protecciones en los viales 2 y 3 dado que no existe riesgo de erosiónes durante la
vida útil del proyecto.
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Para determinar los caudales en el proyecto, se ha utilizado el método racional, es el más
utilizado en todo el mundo, incluyendo a Chile, para estimar caudales máximos de crecidas en
cuencas pequeñas, generalmente menores a 25 [km2]:
De acuerdo a esta fórmula, el caudal máximo asociado a un periodo de retorno igual al de la
lluvia que genera la crecida está dado por:
QtT =
C  I tT  A
3.6
(1)
Donde:
QtT
: Caudal Instantáneo máximo [m3/s] para un determinado periodo de retorno T y una
duración t.
C
I tT
A
: Coeficiente de escorrentía.
: Intensidad de la lluvia de diseño [mm/hr] para un periodo de retorno T y una duración
t.
: Área cuenca pluvial tributaría [km2].
Para determinar el valor medio del coeficiente de escorrentía para la zona de estudio, se utilizó
la Tabla 3.702.503.B del Manual de Carreteras, donde se presentan los rangos de los coeficientes
para cuatro factores relevantes que inciden en el coeficiente final. Dicha tabla se presenta a
continuación.
0,08
0,10
0,12
0,10
Con los valores indicados, obtenemos un coeficiente de escorrentía de 0.40 para T=10 años y
0.44 para T=25 años
Tabla 7. Coeficientes de Escorrentía T = 10 años.
Fuente: Base Manual de Carreteras. Tabla 7.702.503.B
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Se utilizará para la estimación de las lluvias de diseño la expresión propuesta por Bell (Bell,
F.C. 1969. Generalizad Rainfall-Duration-Frecuency Relationships. Journal of Hydraulics Division
of ASCE, 95 Nº HY1, 311-327), que ha sido corroborada para Chile, (Espildora, B. “Estimaciones
de Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia, mediante coeficientes Generalizados”, Coloquio
Nacional, Sociedad Chilena de Ingeniería Hidráulica, Santiago. 1971) e implementada en el
manual de carreteras nacional (3.702.405). La expresión de Bell permite estimar la precipitación
entre 5 minutos y 2 horas, asociadas a periodos de retorno comprendidos entre 2 y 100 años. La
expresión de cálculo es la siguiente:
(2)
10
𝑃𝑡𝑇 = 1,1 ∙ (0,54 ∙ 𝑡 0,25 − 0,50) ∙ (0,21 ∙ 𝑙𝑛(𝑇) + 0,52) ∙ 𝑃1ℎ
Siendo:
PtT
:
𝑃𝑡𝑇 :Precipitación en mm con periodo de retorno T y duración t minutos.
P1h10 :
10
𝑃1ℎ
: Precipitación en mm con periodo de retorno 10 años y duración 1 hora.
Para la estimación de la P1h10 se realizó de la siguiente forma:
P110h = CD1h  P2410
(3)
Donde CD1h es el coeficiente de duración para 1 hora. El coeficiente de duración se asumió en
0,12 el que corresponde al valor para la estación de Melipilla obtenida de la Tabla 3.702.403.A
del Manual de Carreteras.
Para obtener la intensidad de la precipitación, se evalúa la siguiente expresión:
T
ITc
=
PdT
Tc
(4)
Donde Tc es el tiempo de concentración de la cuenca correspondiente, P dT es la precipitación
para el periodo de retorno T y duración d. El parámetro Tc corresponde al tiempo de concentración
de la cuenca.
Para la obtención del tiempo de concetración se ha utilizado la media obtenida a partir de las
formulas especificadas en el apartado 3.702.501 del Manual de Carreteras de Chile:
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El tiempo mínimo de concetración serán 10 minutos acorde con el apartado 3.702.501
impuesto en el Manual de Carreteras de Chile.
Para el caso del proyecto de Palermo, se descartan las formulas de Giandotti y SCS por dar
resultados que exceden en una alta proporción respecto a las formulas más fiables para la
situación de proyecto (Cuencas de dimensiones reducidas y escasa pendiente). En este caso se
aplica: Normas españolas y California Culverts Practice. En el caso de la cuenca 2, el tiempo de
concetración calculado es menor a 10 min, por lo que se aplicarán 10 minutos (0.167 h)
La precipitación media para la cuenca en estudio, evaluada en la altura media se presenta
en la siguiente tabla.
Proyecto
Hm (m.s.n.m.)
P2410 [mm]
K
CD1h
P1h10 [mm]
PALERMO
140
80
1,1
0,12
10,6
Tabla 1. Cálculo de precipitación de diseño
Finalmente, en la siguiente tabla, se puede apreciar la estimación de caudales para el proyecto:
T
[años]
2
5
10
20
25
50
Coef
Escorrentia
0,40
0,40
0,40
0,40
0,44
0,48
P1h
[mm]
10,6
10,6
10,6
10,6
10,6
10,6
T
[años]
2
5
10
20
25
50
Coef
Escorrentia
0,40
0,40
0,40
0,40
0,44
0,48
P1h10
[mm]
10,6
10,6
10,6
10,6
10,6
10,6
10
CUENCA 01
Tc
CDtc CFT
[hr]
Bell Bell
0,271 0,58 0,67
0,271 0,58 0,86
0,271 0,58 1,00
0,271 0,58 1,15
0,271 0,58 1,20
0,271 0,58 1,34
CUENCA 02
Tc
CDtc CFT
[hr]
Bell Bell
0,167 0,46 0,67
0,167 0,46 0,86
0,167 0,46 1,00
0,167 0,46 1,15
0,167 0,46 1,20
0,167 0,46 1,34
Tabla 2. Caudales
PtcT
[mm]
4,11
5,29
6,19
7,09
7,38
8,28
ItcT
[mm/hr]
15,15
19,54
22,85
26,17
27,23
30,55
Q
[m3/s]
0,067
0,086
0,101
0,116
0,132
0,162
Q
[l/s]
67
86
101
116
132
162
PtcT
[mm]
3,23
4,17
4,88
5,59
5,81
6,52
ItcT
[mm/hr]
19,41
25,02
29,27
33,51
34,88
39,12
Q
[m3/s]
0,036
0,047
0,055
0,063
0,072
0,088
Q
[l/s]
36
47
55
63
72
88
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Luego, dado los criterios de diseño, el caudal de diseño para el proyecto se muestra en la
siguiente tabla para cada una de las cuencas afectadas
CUENCA
Qdiseño (m³/s)
CUENCA 01
0.132
CUENCA 02
0.072
Tabla 3. Caudales de diseño
4
ESTUDIO HIDRÁULICO
A continuación, se describe la metodología, parámetros y resultados obtenidos para el estudio
hidráulico.
4.1
Criterios de diseño geométricos
A continuación, se describen los requerimientos a tener en cuenta para el diseño geométrico.
•
Trazado y tipos de componentes
Se diseña una canal perimetral protegiendo el vial interior en el lado de desmonte. La
dimensión del canal será suficiente para desalojar el caudal de cálculo. Los taludes serán 1.5H:1V
(Aceptable para excavaciones permanentes según estudio geotécnico).
El trazado y pendientes se representan en los planos correspondientes de diseño de drenajes.
Las dimensiones especificas y forma de los componentes se muestran en los planos
correspondientes de detalles de drenaje.
•
Materiales utilizados
Las cuentas se proyectarán en tierra y revestidas de concreto cuando la velocidad del agua
pueda causar erosión y/o por capacidad.
Las cámaras, pasatubos y bocas de salida serán de hormigón armado prefabricados.
Los coef. de Manning seleccionados son de 0.030 para tierra y 0,015 para hormigón.
4.2
Criterios de diseño hidráulicos
Cunetas
En el diseño hidráulico de elementos de drenaje es conveniente limitar la velocidad del agua
al objeto de:
•
Asegurar la autolimpieza. La velocidad del agua debe de ser suficientemente elevada
a fin de evitar la sedimentación de las partículas sólidas que transporta, lo que podría
incidir en su correcto funcionamiento.
•
Evitar los daños en las paredes debido a la acción mecánica del agua, lo que requiere
limitar superiormente la velocidad.
Para un caudal y condiciones de contorno dadas, la velocidad de una sección depende de la
pendiente y de las características geométricas de dicha sección (forma y rugosidad).
Normalmente, y siempre que la topografía lo permita, es la pendiente el parámetro que admite
una mayor variabilidad y por tanto se fija de manera que se verifiquen las velocidades límite
recomendadas de:
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Tabla 4. Velocidades máximas admisibles en canales NO revestidos
Para los canales revestidos, el valor máximo está limitado a la velocidad que produce erosión
en el revestimiento. Esta erosión depende del material en suspensión en el agua. Para
revestimientos no armados se recomienda velocidades menores de 2,5 m/s para evitar que los
revestimientos se levanten por sub-presión. Si el revestimiento cuenta con armadura la velocidad
se deberá limitar sólo en función de la erosión probable.
•
La pendiente será la suficiente para que la velocidad media no sobrepase los límites
indicados.
•
La resistencia al flujo se evalúa mediante la fórmula de Manning, caracterizada
mediante el coeficiente de rugosidad de Manning, n. según la tabla 3.705.1.A
“Valores del coeficiente de rugosidad o de Manning en canales” del Volumen Nº3 –
Manual de carreteras.
•
•
Caudal de diseño obras mayores T=50 años.
Caudal de diseño drenaje plataforma de caminos diseño T= 10 años y verificación
T=10 años de acuerdo con Tabla 3.702.2.B.
Para el proyecto de Torino, se realiza el cálculo y verificación de las instalaciones de
drenaje para periodo de retorno T = 25 años, a petición de la propiedad.
•
En el caso del proyecto se establece una velocidad máxima en terreno de 0,75-1,00 m/s,
correspondiente a arcilla, tal y como describe el estudio geotécnico.
Se establece una altura libre de resguardo mínima de 0,10 m en el caso del proyecto.
Diseño de cruce de vial de acceso
El camino de acceso principal cruza un canal existente. El estudio hidrológico analiza este
punto en su apartado 6 “obras proyectadas”
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Ilustración 5. Atravieso propuesto por estudio hidrológico.
•
Para dicho cruce, el estudio hidrológico propone la siguiente solución:
Ilustración 6. Solución propuesta por estudio hidrológico.
•
El caudal asignado de para T=100 y T=150 es el especificado en la tabla inferior. Se
procederá a verificar la solución propuesta para en el presente documento.
Ilustración 7. Caudal calculado por estudio hidrológico.
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4.3
Metodología
La capacidad de desagüe de los elementos de drenaje se determina mediante la ecuación de
pérdida de energía por rozamiento definida por la fórmula de Manning-Strickler:
Q=S xV =S
R 2 / 3  J 1/ 2
n
Siendo:
S
Área de la sección, en metros cuadrados (m2).
R
Radio hidráulico, metros (m).
J
Pendiente longitudinal en régimen uniforme, en m/m.
n
Coeficiente de rugosidad, adimensional.
Como norma general, la conversión de caudal a calado en el sistema de drenaje se realiza
con la hipótesis de flujo uniforme, es decir, las pérdidas de energía son iguales a la pendiente del
elemento de drenaje.
4.4
ELEMENTOS DE DRENAJE
A continuación, se muestra el dimensionamiento del sistema de drenaje propuesto.
Cunetas
La cuneta es una zanja longitudinal abierta en el terreno junto a la plataforma de los viales
proyectados o en las proximidades del vallado. La cuneta tendrá igual pendiente longitudinal que
la rasante del camino cuando vaya en corte y la pendiente será paralela al terreno natural cuando
los viales se encuentren en relleno. En casos justificados, podrán ejecutarse a contrapendiente.
Las cunetas proyectadas podrán ser trapezoidales, triangulares o rectangulares, en tierra o
en hormigón. En el caso del proyecto, se proyectan cunetas con las siguientes características:
PROFUNDIDAD
BASE
ANCHURA
TALUD
[Y] (m)
[b] (m)
[T] (m)
(H:V)
Trapezoidal
0.5
0.5
2
1:1.5
Tierra
Trapezoidal
0.5
0.5
2
1:1.5
Tierra
CUNETA
FORMA
CANAL
TRAMO 1
CANAL
TRAMO 2
Tabla 5. Tipología de cunetas
MATERIAL
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Ilustración 8. Cunetas en planta y detalles.
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Comprobación hidráulica
A continuación, se adjunta la comprobación hidráulica de las secciones de cuneta propuestas:
PTE
CUENCA
CUNETA
APORTE
TOTAL
TIPOLOGÍA
J
(m/m)
(m³/s)
TALUD
INT.
TALUD
EXT.
CALADO
MÁXIMO
CALADO
ALTURA LIBRE
RESGUARDO (m)
ANCHO
BASE
(X Hor/1
V)
(X
Hor/1
V)
hmax
a
hmax-a
(m)
(m)
TIPO DE
PROTEC.
COEF.
RUGOS.
SECC.
HIDR.
PERÍM.
MOJADO
ANCHO
LÁMINA
PROFUND.
HIDRÁUL.
RADIO
HIDRÁU.
VELOCID.
MÁX.
Nº FROUD
f
K
S
p
X
Yh
R
V
F
(m)
(m)
(m^(1/3)/s)
(m²)
(m)
(m)
(m)
(m/s)
CUENCA 01
CANAL TRAMO 1
0,0044
0,132
TRAPEZOIDAL
1,50
1,50
0,5
0,24
0,26
0,50
TIERRA
33,33
0,21
1,37
1,23
0,17
0,15
0,63
0,49
CUENCA 02
CANAL TRAMO 2
0,001
0,204
TRAPEZOIDAL
1,50
1,50
0,5
0,40
0,10
0,50
TIERRA
33,33
0,44
1,94
1,70
0,26
0,23
0,46
0,29
Tabla 6. Comprobación hidráulica
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4.4.3. Cruce vial de acceso
Para permitir el cruce del agua bajo el vial de acceso, la obra de arte propuesta será de tipo
cajón doble de hormigón armado prefabricado. Se pretende no afectar mayormente la rasante y
la continuidad de los mismos viales en dicho punto.
La obra de arte proyectada será de las siguientes características:
PASATUBOS
FORMA
OBRA DE CRUCE
RECTANGULAR
DIAMETRO
BASE
ANCHURA
ALTURA
[D] (m)
[b] (m)
[A] (m)
[H] (m)
-
2
10,27
MATERIAL
Hormigón
Tabla 7. Tipología de obra de cruce.
Ilustración 9. Situación de obra de cruce y detalles.
1
Detalle según Manual
de carreteras.
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4.4.4. Comprobación hidráulica Obra de cruce
A continuación, se adjunta la comprobación hidráulica de las secciones de obra de cruce propuestas:
CUENCA
OBRA
CRUCE
LONG.
ELEMEN.
PTE
APORTE
TOTAL
L
J
(m)
(m/m)
(m³/s)
10,27
0,007
5,800
TIPOLOGÍA
CALADO
ALTURA LIBRE
RESGUARDO
(m)
DIAMETRO
a
hmax-a
D
(m)
(m)
(m)
0,59
0,41
1,00
TIPO DE
PROTEC.
COEF.
MANNING
SECC. HIDR.
PERÍM.
MOJADO
ANCHO
LÁMINA
RADIO
HIDRÁU.
VELOCID. MÁX.
Nº FROUD
n
S
p
X
R
V
F
(m²)
(m)
(m)
(m)
(m/s)
4,000
8,000
4,000
1,000
2,97
CAPACIDAD
PASATUBOS
OBRA DE CRUCE.
DOBLE CAJON
CAJON
HORMIGON
0,015
Tabla 8. Comprobación hidráulica
(m³/s)
0,95
11,88
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4.4.5. Cruce vial interior con badén
Para permitir el cruce del agua bajo los viales se hace necesario el uso de un badén que
permita evacuar el agua de la cuneta del vial interior. Se descarta el uso de pasatubos debido a
que las escasas pendientes hacen imposible la evacuación bajo el vial.
El badén propuesto tiene las siguientes características:
ELEMENTO
FORMA
BADÉN
TRAPEZOIDAL
DIAMETRO
BASE
ANCHURA
ALTURA
[D] (m)
[b] (m)
[A] (m)
[H] (m)
-
0.5
10,75
Tabla 9. Tipología de obra de cruce.
Ilustración 10. Detalle de badén.
0.50
MATERIAL
Perraplén según
Manual de carreteras
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4.4.6. Comprobación hidráulica cruce con badén
A continuación, se adjunta la comprobación hidráulica de las secciones de badén propuestas:
PTE
CUENCA
BADEN
CUNETA
SALIDA TRAMO 2
APORTE
TOTAL
TIPOLOGÍA
J
(m/m)
(m³/s)
0,005
0,204
TRAPEZOIDAL
TALUD
INT.
TALUD
EXT.
CALADO
MÁXIMO
CALADO
ALTURA LIBRE
RESGUARDO (m)
ANCHO
BASE
(X Hor/1
V)
(X
Hor/1
V)
hmax
a
hmax-a
(m)
(m)
0,5
0,18
10,00
10,00
TIPO DE
PROTEC.
COEF.
RUGOS.
SECC.
HIDR.
PERÍM.
MOJADO
ANCHO
LÁMINA
PROFUND.
HIDRÁUL.
RADIO
HIDRÁU.
VELOCID.
MÁX.
Nº FROUD
f
K
S
p
X
Yh
R
V
F
(m)
(m)
(m^(1/3)/s)
(m²)
(m)
(m)
(m)
(m/s)
0,32
0,50
33,33
0,40
4,07
4,05
0,10
0,51
TIERRA
Tabla 10. Comprobación hidráulica cruce con badén.
0,10
0,51
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4.5
MANTENIMIENTO DE OBRAS
Se deberán realizar mantenimiento de todas la cuneta y canales existentes en la zona de
proyecto. Dicho mantenimiento se deberá realizar después de cada evento de precipitaciones de
importancia, comenzando por una inspección visual de todas las obras, además del retiro de todo
objeto extraño o de gran tamaño desde la red de canales y obras anexas para dejar en condiciones
adecuadas para el próximo evento de crecidas.
A todas las obras debe realizarse un mantenimiento y limpieza anual o después de cada
evento de consideración.
DISEÑO Y CÁLCULO DE SISTEMA
DE DRENAJE
“PFV PALERMO” 9 MWac
10-08-2021
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CONCLUSIONES
Las principales conclusiones de la memoria de drenaje son las siguientes:
•
Todas las obras diseñadas cumplen con los criterios iniciales impuestos en la sección 4.1.
y 4.2. del presente documento y transportan a lo menos el caudal de periodo de retorno
de T=25 años.
•
El actual diseño considera el mantenimiento periódico de las obras, de tal manera de
mantener las capacidades de porteo diseñadas. Este mantenimiento deberá realizarse al
menos cada 3 meses y/o antes de un evento pronosticado o inmediatamente producido
un evento que haya activado las quebradas afluentes al proyecto.
•
No existe ningún elemento que sobrepase los límites de velocidad para el tipo de material
considerado.
•
Las dimensiones, materiales, y geometría de elementos y empalmes están basadas en
la norma de carreteras de Chile.
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