OBRAS OBR AS HIDR HIDRAULICAS AULICAS Manuel Vicente HERQUINIO ARIAS Ing. MECANICO DE FLUIDOS HIDRAULICA e HIDROLOGIA
I.
INTRODUCCION
El agua es fuente de vida y este recurso hídrico cobra más importancia día a día ya que la población del mundo se duplica cada cuatro décadas.
Se requiere requiere de Estructuras Hidráulicas Hidráulicas que que permitan permitan el aprovechamiento aprovechamiento de este recurso así como c omo también sirvan de protección adecuada durante las avenidas.
Un buen diseo consiste en proponer la me!or solución "écnica y Económica tomando en cuenta#
$ue construir construir una estructura implica adicionar pesos al medio natural y que el medio natural va a responder con diversos cambios sobre la estructura y al medio mismo.
$ue una estructura nueva va a afectar tanto a la naturale%a como a los habitantes de la %ona.
C as cac n e as O ras Hidrulicas Por su propósito# •
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Estructuras de &rrigación Estructuras para 'bastecimiento Estructuras para (enerar Energía Hidroeléctrica Estructuras para )avegación Estructuras para *rotección de riberas y control de crecientes +rena!e y alcantarillado
Clasifcación de las Obras Hidrulicas De acuerd! a su "unción# •
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,bras de captación# *or gravedad como toma de derivación presa de embalse y ecani%ado por medio de po%os.
,bras de conducción# canales- t/neles- pasos de depresión como acueductos- sifones ó tuberías de presión.
Clasifcación de las Obras Hidrulicas De acuerd! a su "unción# •
,bras de protección# +esarenadoraliviaderos de demasías- desfoguesdisipadores de energía 01ápidas caídas-..2- tanques de presión- defensas ribereas- canales de limpia- canales de drena!e.
Rápida Escalonada Proyecto Especial OLMOS - TINAJONES
Clasifcación de las Obras Hidrulicas De acuerd! a su "unción# •
,bras de regulación# reservorios- compuertasdivisores- medidores
Reservorio Poechos- 1 !MM"# Proyecto Especial "$IRA - PI%RA
II. OBRAS DE CAPTACION
II. OBRAS DE CAPTACION
Es el con!unto de estructuras que permiten captar agua de una fuente super3cial ó subterránea para su derivación y aprovechamiento.
Se pueden clasi3car en#
obras de almacenamiento y obras de toma por derivación directa.
4as obras de almacenamiento consisten en presas que cierran el cauce del río- formando un reservorio que permite regular el uso del caudal del ríoalmacenarlo en épocas de crecientes y utili%arlo en épocas de sequía.
4as tomas por derivación directa captan el agua que viene por el río o quebrada sin ninguna regulación o sea se aprovecha el caudal que hay en
OBRAS DE CAPTACION Captación Directa por Gravedad
En este curso nos ocuparemos de la captación directa por gravedad que se origina en un río- a la cual se le conoce como 5ocatoma ó Estructura de 6aptación de 6abecera
To'a +irecta Sin re,)lacin
&ocato'a ( Estr)ct)ra de "aptaci(n de "a*ecera
III.
BOCATOMAS
5ocatoma es una estructura que tiene por 3nalidad derivar parte o el total del caudal que discurre en un río con el 3n de# irrigar un área ba!o riego- generar Funciones de una Bocatoma energía eléctrica o dotar de agua potable •
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(aranti%ar la captación de una cantidad constante de agua- especialmente en épocas de estío 0$ río 7 $ captación2 &mpedir- hasta donde sea posible- el ingreso de materiales sólidos y 8otantes- haciendo que estos . sigan el curso del río o facilitando la limpie%a. *roteger el resto del sistema de obras hidráulicas y cauces aledaos del ingreso de avenidas o embalses que pudieran producirse en las épocas lluviosas.
Bocatomas - Clasifcación •
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*or el material del que están hechas# concreto piedra- tierra- madera- 9champas9- ramas- etc.. *or su vida /til# permanentes 0concreto2temporales 0piedra- tierra- madera- 9champas9ramas- etc 2. *or el método de construcción# concreto armadoconcreto ciclópeo- mampostería- gaviones y otros.
Bocatomas - Clasifcación •
*or su forma y diseo# 5arra!e total- 5arra!e parcialespigones- 5arra!e móvil- 5arra!e 3!o- 5arra!e sumergido o del tipo "irol.
Bocatomas - Clasifcación •
*or su forma y diseo# Re$illa
%aler&a
&ocato'a S)'er,ida To'a "a)casiana ( Tipo Tirol Presa +erivadora S)llana . &arra/e Movil Proyecto Especial "$IRA- PI%RA
Criteri!s de Dise'! Ubicación +epende de# •
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6on3guración del terreno 0pendiente del cauceancho del valle( "opografía 0cota de captación2 6ondiciones geológicas# presencia de fallas- arcillas y cali%as en las %onas de cimentación de la bocatoma. (eotecnia del lugar del empla%amiento- capacidad portante de los suelos. :acilidades constructivas 0disponibilidad de materiales2 Evitar posibles inundaciones o daos a las áreas vecinas ;ariaciones hidrológicas del lugar que nos servirá de empla%amiento.
r ter !s e Ubicación •
se !
Si se trata de una curva- la ubicación de la toma deberá ser al 3nali%ar la curva 0lado cóncavo2- desde el punto de vista de transporte de sedimentos este lugar se considera más adecuado- ya que en este punto el 8u!o secundario en el fondo se ale!a de la toma y no esta e
Criteri!s de Dise'! )!*!+ra"&a +e3nida la posible ubicación- se reali%arán los siguientes traba!os topográ3cos# •
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4evantamiento en planta del cauce del río- entre =>>m. a ?>>> m. tanto aguas arriba como aguas aba!o del 5arra!e- la escala recomendada es ?#@>>>. 4evantamiento locali%ado de la %ona de ubicación de la bocatoma- se recomienda un área de ?>>m. < ?>>m. como mínimo- la escala no debe ser menor de ?#=>>. *er3l longitudinal del río- por lo menos ?>>>m. aguas arriba y =>>m. aguas aba!o del e!e del 5arra!e- la escala recomendada es ?#@>>> H y ?#@>> ;. Secciones transversales del cauce del río a cada =>m. en un tramo comprendido entre ?>>>m. aguas
6riterios de +iseo (eología y (eotecnia Es importante conocer las condiciones geológicasgeomorfológicas y geotécnicas- ya que su conocimiento permitirá dimensionar con mayor seguridad la estructuraA por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos B geotécnicos# •
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6urva granulométrica del material conformante del lecho del río. Sección transversal que muestre la geología de la %ona de ubicación de la bocatoma. 6oe3ciente de permeabilidad 6apacidad portante 1esultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tablaestacas 0para determinar la profundidad de cimentación2
6riterios de +iseo Hidrología
El diseo de estructuras hidráulicas está íntimamente ligado al conocimiento de las descargas de un río- en el caso de 5ocatomas importa de manera especial la descarga má
INFRAESTRUCTURA PERIODO DE RETORNO Encau%amiento sin población afectada @= a => aos
,artes de una B!cat!-a 4as "omas convencionales están generalmente ubicados en los ríos de cuencas altas 0$ pequeos- S grandes- ; grandes- y $ sólidos altos en épocas de avenida2. Estas tomas se componen de los siguientes elementos principales# •
Barra!e" Presa de Deri#ación" Di$ue" A%ud ó Barra!e Fi!o ,bliga a que toda el agua que pasa por deba!o de su cresta entre a la toma y en épocas de avenida se comporta como un vertedor.
,artes de una B!cat!-a •
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&entana de Captación 'bertura con enre!ado que impide el paso del material sólido y 8otante demasiado grueso- para esto el umbral de la re!a se coloca a cierta altura del fondo. Co'c(ón disipador ó )ampeado a' pie de' a%ud Sirve para disipar la energía de manera que el agua pase al cauce no revestido con velocidades lo su3cientemente ba!as para no producir erosiones.
,artes de una B!cat!-a •
Compuerta de *impia ó Compuerta de pur+a Ubicada en un e
,artes de una B!cat!-a •
Cana' de *impia o Barra!e Mó#i' Elimina el material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. *ara determinar el ancho del canal de limpia se debe considerar# El canal de limpia debe transportar por lo menos dos veces el caudal a derivar o debe ser igual al caudal medio del río. El ancho debe ser un décimo de la longitud del barra!e.
,artes de una B!cat!-a •
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Desripiador Estructura que captura gran parte del material que logra pasar la re!a- este desripiador debe tener una compuerta hacia el río para lavar periódicamente el material acumulado. Transición de entrada a' cana' 'l ingresar el agua por la ventana de captación este pasa hacia el desripiador que es una estructura ancha al inicio y se va angostando hasta entregar el 8u!o al canal principal que generalmente tiene una sección más estrecha. *or lo tanto es necesario intercalar una transición entre los dos para evitar que haya grandes pérdidas de energía entre la ventana de captación y el canal. Cana' ó t,ne' Estructura hidráulica que puede
,artes de una B!cat!-a •
A'i#iadero de Demas-as Estructura que facilita la evacuación de agua e
,artes de una B!cat!-a •
Desarenador En épocas de lluvia- los ríos acarrean abundantes materiales sólidos- tanto de fondo como en suspensióndebido a la erosión que provocan en todo su recorrido. *or ello es importante contar con desarenadores o decantadores particularmente en obras de 6entrales Hidroeléctricas. Un buen diseo pondrá especial atención en la velocidad del agua dentro del
I&. &ENTANA DE CAPTACION
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El a+ua se ca*ta *!r -edi! de un !rifci! .ue se encuentra en una ó en a-bas -r+enes/ Este !rifci! es *r!0ist! de barr!tes 0erticales ! li+era-ente inclinad!s .ue i-*iden el *as! del -aterial 1!tante 2 de *iedras -a2!res al es*aci! entre l!s -is-!s/
ENTANA DE CAPTACION Dise'! Hidrulic! 3 4lu$! Libre En estia!e el vano de la re!a funciona como un vertedor. 4a carga necesaria viene del remanso producido por el a%ud. A'tura de' umra' de' ori/cio 0(u1 hu C D φ b.lhu# F>.=> a ?.=> mG φ # diámetro medio de los sedimentos más gruesos b.l# borde libre ≈ >.?> m El dintel debe llegar a tener una altura superior a la de la creciente. El muro en el cual se ubica la re!a por lo general es perpendicular a la dirección del a%ud- sin embargo es conveniente darle una inclinación respecto a la dirección del río tanto para acortar la longitud para llegar a un terreno alto- como para me!orar las condiciones hidráulicas- se recomienda de ser • • •
ENTANA DE CAPTACION Dise'! Hidrulic! 3 4lu$! Libre A'tura de' tirante sore e' #ertedero 0(1 :órmula de vertederos de :orcheimer# Q
=
0
µ L
gh 0
$# caudal de captación ( mDIs ) µ # coe3ciente del vertedero seg/n la forma de la cresta ( ver "abla ) h# altura de carga hidráulica ó tirante de agua sobre la cresta del vertedero ( m )
Coe/ciente de #ertedero
TIPO DE VERTEDERO
FORMA
Corona ancha
0.49 – 051
Corona ancha redondeada
0.50 – 0.55
Canto afilado
0.64
Canto afilado
0.62
Cima redondeada
0.79
Tipo Creager
0.75
ENTANA DE CAPTACION
Re!illas •
Son platinas unidas mediante soldadura formando paneles- tiene el ob!etivo básico de impedir que los materiales de arrastre y suspensión ingresen al canal de derivación. 4a separación entre barrotes variará entre @K a JK 0material 3no2 y de JK a LK 0material grueso2. *ara facilitar la limpie%a- la colocación de la re!illa puede tener una pequea inclinación de ?# M- como también las re!illas pueden sobresalir y no estar al ras.
ENTANA DE CAPTACION Re!illas P2rdida de car+a en Re!i''as 0(r1 4as pérdidas de carga en las re!illas se deben a que estas producen perdidas por# obstrucción- contracción de la entrada y resistencias producidas por el ro%amiento del agua. 4a fórmula de 61E'(E1 nos da un buen criterio para evaluarla.
hr = t
V n
g
an an t = 1423 − 423 − a g a g
Nt# coe3ciente de perdida en la re!illa an# área neta a través de la re!illa ag# área bruta de las re!illas y sus soportes ;n# velocidad a través del área de la re!illa ;ing# velocidad de ingreso en# espacio neto a través de la re!illa eg# espacio bruto de las re!illas y sus soportes
V n = V ing
en e g
ENTANA DE CAPTACION Dise'! Hidrulic! 3 Orifci! •
•
En condiciones e
Q
•
• •
= C d !o
1 g ∆h
6d C >.OP=- 6oe3ciente de descarga para ori3cios de pared delgada 'o# área del ori3cio Qh# diferencia de niveles
5h
ENTANA DE CAPTACION E!emplo de Aplicación Se trata de captar un caudal de D.P mDIs en estia!e mediante una ventana de captación. El diámetro medio de los sedimentos más gruesos es de @> cm. +e acuerdo al material 8otante las re!illas serán de platinas de RK < @ espaciadas cada ?> cm y tendrán una inclinación de ?;# M H para facilitar la limpie%a. +imensionar la ;entana de 6aptación y determinar la perdida de carga debido a las re!as.
0 6omo φ m C @> cm- la altura del umbral la Q µ de L ghventana de 0 captación será de O>cm. sobre el fondo. 'plicando la fórmula de :orcheimer# $ C D.P mDIs L h µ C >.== 0vertedero de corona ancha- de la "abla2 0 2 1.09064266 Len h la ecuación 467 1eempla%ando obtenemos# 2.2 1.02349885 =
=
escogemos 4C @.@m y hC?.>=m
0incluyendo corrección
ENTANA DE CAPTACION E!emplo de Aplicación +eterminamos el n/mero de barras- dividiendo el ancho entre el espaciamiento# e C @.@I>.?> C @@ espacios T ) de barras C @@? C @? 'ncho total de la re!a C @@V>.?>@?V0DIJV@.=JI?>>2 C @.O> m ;entana# 4C @.O> V hC?.>= m
89 >.?>m
>.?>m
+eterminando la pérdida de carga en las re!illas 5/567-
5/667-
enC >.?> m egC>.??W m anC @@V>.? C @.@ m@ agC@@V>.?@?V >.>?WC @.O> m@ enIeg C >.LJ anI ag C >.LJO ; 046 Nt C ?.J= >.J= V >.LJO >.LJO@ T Nt C >.D=DO < 149 in,
=
A
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m 8 "
;nC?.O>@ V >.LJ C ?.DJO mIs
hr
=
40309 :
14029
: =471
=
406 perdida de c ar, a por o$"tr%cci& n de re#a"
