CONCEPTOS GENERALES SOBRE RIEGO El riego no es un final en si mismo, sino una medida para satisfacer las necesidades de humedad de la planta, cuando otras medidas no logran un balance entre el agua disponible y el agua de demanda. Las necesidades de riego dependen del equilibrio que existe entre le agua disponible y en agua que la planta consume menos agua de la que esta disponible en el suelo, en este caso, el agua se controla por medio del establecimiento de sistema s de drenaje. En esencia el objetivo de todo método o sistema de riego aplicar el agua necesaria a los cultivos en forma eficiente y uniforme sin causar erosión, llamamos eficiencia a la relación que existe entre el agua que existe para regar y el agua que se almacena en la zona de las raíces ra íces y que esta a disposición de d e las plantas. Es el mayor o menor éxito del regador en su trabajo. E%=(agua recibida/agua almacenada en la zona radicular)*100
EFICICIENCIA PROMEDIOS DE APLICACIÓN METODO DE RIEGO:
EFICIENCIA
1 INUNDACION O TENDIDO
30 – 60 %
2 BORDES
60 – 75 %
3 SURCOS
55 – 70 %
4 CORRUGACIONES
50 – 70 %
5 CANALES EN CONTORNO
50 - 60 %
6 PARCELAS APRETILADAS
60 - 80 %
7 ASPERSION 8 GOTEO
70 – 80 % 90 – 95 %
FACTORES DE LOS QUE DEPENDEN EL SISTEMA DE RIEGO.LOS FACTORES OSN LOS SIGUIENTES:
Topografía del terreno. Tipo de cultivo. Rendimiento del cultivo. Disponibilidad del agua.
Inversión y costo de mantenimiento de obra. Disponibilidad de mano de obra. Aspecto social.
METODOS DE RIEGO SUPERFICIALES: existen diferentes formas para distribuir el agua en el terreno de acuerdo con el tipo de distribución los que se pasan a definir. REIGO POR INUNDACION: el riego por inundación consiste en la distribución de agua por gravedad sobre toda la superficie de un terreno encerrado por pequeños diques .se llena el compartimiento, charco o melga con una cantidad relativamente grande de aguay un subsuelo menos permeable .el riego por inundación se usa principalmente para el cultivo de arroz, y en menor grado de ciertas hortalizas y pastos. Se divide el terreno en compartimientos encerrados por pequeños diques. La forma puede ser casi cu8adraedad o rectangular. Los primeros se llaman charcos es normalmente hasta de una hectárea, mientras que la melgas son de mayor tamaño, el tamaño depende de la pendiente y del tipo de suelo.
RIEGO POR BORDES: se recomienda el método de preferencia para cultivos de crecimiento cerrado. Consiste el método en franjas paralelas en el sentido de la pendiente en los cuales la dispersión lateral del agua se limita por bordes. En el sentido transversal se debe evitar todo desnivel. El agua entra por la cabecera, se esparce sobre la franja fran ja y avanza con un solo frente en el sentido de la pendiente. Parece a primera vista que le método de este tipo es imposible obtener una buena uniformidad ya que el agua estaría mas tiempo en la cabecera por tanto ahí habría una mayor penetración. esto solo es verdadero hasta cierto punto en primer lugar la infiltración disminuye con el tiempo. En suelos arcillosos después de lagunas horas llega a valores insignificantes. Por lo tanto si en la cabecera el agua permanece 4 horas y al final de la platabanda 2horas, ello no significa que en la cabecera se haya infiltrado el doble además con un buen diseño se corta el agua cuando haya recorrido 2/3 del largo del borde y se termina el riego con el agua que queda en la superficie. Si es necesario aplicar una gran cantidad de agua se recomienda usar un caudal grande para cubrir rápidamente la superficie del borde y recortarlo después a un mínimo de manera que solo una delgada película de agua cubra el suelo , con le fin de disminuir los derrames y aumentar la eficiencia de aplicación.
Al diseñarse un sistema se debe correlacionar los factores (suelo infiltración y topográfica) con el caudal disponible y de cultivo. La infiltración no siempre es función exclusiva de la textura. en suelos pesados o de infiltración lenta los bordes pueden tener largos de 400m y mas hasta 600m, mientras que en suelos de infiltración rápida 100m .es el li mite máximo. máximo. A menor pendiente tanto en la direcci0on del riego como transversal debe disminuirse el ancho de los bordes igualmente a menor caudal corresponde un ancho menor. Es difícil expresar todos los factores que se conjugan en un sistema de este tipo en una formula de diseño por estos e recomienda probar con diferentes tamaños sobre todo si se trata de diseñar dise ñar un sistema definitivo. Al implantar este método es fundamental la nivelación. Lo ideal es dar un pendiente fija entre 0.2 a 0.6 % en una sola dirección, después de levantar los bordes. La nivelación entre los bordes debe ser mínima ya que la maquinaria no puede usarse con eficiencia satisfactoria. El método de riego también se puede hacer en contorno, en este caso la nivelación se hace bordes y es costos. Siempre que se quiera implantar este método se debe contar con terrenos planos los caudales que se necesitan son grandes y la mano de obra necesaria baja.
RIEGO POR BORDES: RIEGO POR SURCOS: consiste en la distribución del agua por gravedad a lo largo y a través de surcos en el terreno, el agua infiltra lateralmente en los desniveles. El riego por surcos se puede realizar en terreno llano también según curvas de nivel en una pendiente el agua penetra en forma vertical y lateral. Los surcos tienen una profundidad de 20 a 30cm. En terrenos nivelados los surcos son rectos, en el caso de terrenos ondulados los surcos siguen las curvas de nivel. La distancia entre los surcos depende también de los cultivos, en la práctica se emplean distancias entre los surcos que varían entre 25 y 150cm según el cultivo y el tipo de suelo. El sistema de riego por surcos se emplean cultivos tales como la caña de azúcar, papas, maíz, algodón, tomate, tabaco, y otros cultivos que se realizan en hileras. La velocidad de l agua en el surco depende primordialmente de la pendiente y del caudal, aunque la rugosidad y la forma de surco ejercen cierta influencia.
Se ha desarrollado una formula para determinar el caudal máximo no erosivo del surco, la erosionabilidad depende de varios factores pero en la formula solo se considera la pendiente. sin embargo para suelos de características medias la formula es aceptable.
Q= Gastos (lts/seg).
= 0.633
S= pendiente en %.
RIEGO POR CORRUGACIONES: una modificación del surco es la corrugaciones, método por el medio del cual los surcos se adaptan en condiciones de cultivo de crecimiento denso (alfalfa) especialmente en terrenos de topografía irregular. Estos surcos deben ser de tal forma que permitan el paso de la maquinaria son mas pequeños y mas juntos generalmente a 40 60 cm. Las corrugaciones deben ir en dirección de la mayor pendiente ya que por ser pequeños, se obstruyen fácilmente y como consecuencia rebosan al surco vecino y de este al siguiente, iniciándose un proceso de erosión. Hasta que la pendiente se pueda usar corrugaciones, depende en primer lugar de la vegetación. Si la protección del suelo es excelente se usa esta variedad del surco hasta pendientes de 10%, corrugaciones se usan también en combinación con bordes para hacer germinar semillas. Al regar huertas o cultivos en hileras con pendientes muy fuertes existen problemas .se recomienda surcos de tamaño normal pero bajando la pendiente efectiva del agua .esto se consigue haciendo surcos en le sentido lateral de la pendiente, o haciendo surcos en contorno a una pendiente fija. Como en le ultimo caso la pendiente del surco es considerablemente menor que la pendiente máxima, estos parecen seguir curvas o nivel. En terreno irregular la distribución de surcos hace necesario surcos intermedios que empiezan o termina en ele interior del campo. La pendiente que se elige depende de la pendiente transversal y de la estabilidad del suelo. En general se usan de 0.2 a 1%.
RIEGO EN SURCO POR ZIGZAG: otro tipo es el surco zig –zag que debido a su difícil y laboriosa construcción es de poco uso, en suelos de baja infiltración se utiliza para aumentar la superficie de contacto.asi tenemos surcos anchos, dobles, etc.
RIEGO POR CANALES DE CONTORNO: este método se adapta especialmente para empastadas en terreno hasta 10% y algo mas.se trata de construir canales con una pendiente mínima, menos de 0.5% preferiblemente 0.1 0. 2% el agua que corre por el canal se obstruye de tal manera que el agua rebalsa sobre las bermas inundando el terreno .mientras menor sea la pendiente, mayor es la distancia por donde desborda el agua debe rebosarse una delgada lamina en una gran extensión del canal de contorno inmediatamente mas bajo y se aprovecha para regar. Este método da excelentes resultados en empastados que protegen el suelo contra la erosión.es muy económico y de simple construcción, la distancia promedio entre canales varía de 20 – 40 m, dependiendo de la topografía. Una forma de mejorar el riego es usar cajas de madera pero para sacar el agua del canal. RIEGO EN PARCELAS APRETILADAS O ESTANQUES: Este método es el mas simple de todos, el campo se subdi vide en pequeñas unidades que se limitan por bordes de la superficie de las parcelas es planas permitiéndose en nivel máximo de 5cm. Entre extremos. La parcela se llena hasta el nivel deseado y se retiene el agua hasta que se infiltre (drenar el exceso si es necesario), existen parcelas rectangulares en terrenos planos y en contornos donde las pendientes son más fuertes. Cae en este grupo el sistema que se usa para regar arroz solo que este caso se mantiene continua agua en las parcelas y en lento movimiento. El tamaño de las parcelas depende de la pendiente del suelo y del caudal disponible. En suelo de gran infiltración debe usarse parcelas pequeñas y/o caudales grandes en estos casos para obtener una buena uniformidad es necesario cubrir rápidamente la cobertura del suelo. En pendientes más pronunciadas para evitar el exceso de nivelación, las parcelas se hacen mas pequeñas, llegamos en muchos casos a ser antieconómicos y el riego engorroso y complicado. Presenta también la desventaja que el uso de maquinaria esta limitada por lo pretiles. Se usa este método de frutales, empastados y en general donde el terreno es muy plano y los cultivos tienen raíces resistentes a inundaciones prolongadas generalmente en terrenos de pendientes mayores a 2%, el método antieconómico. En la sierra se puede recomendar en forma de tazas para arboles frutales en andenes.
RIEGO SUB-SUPERFICIALES: solo en un reducido porcentaje del área regada del mundo usa este método ya que se requiere condiciones naturales especiales
que no se encuentran sino en partes asiladas. Sin embargo donde se puede usar presenta muchas ventajas y es de gran difusión. Fundamentalmente este método envuelve el control de nivel freático y en resumen es una combinación de regar y drenar. Esto significa que le nivel freático se controla de tal manera que el cultivo recibe suficiente agua pero también el drenaje es suficiente para mantener las raíces sanas. Los dos objetivos no siempre se cumplen ni son siempre comestibles. Por esta razón en muchas aéreas se baja el nivel freático de tal manera que nos e puede utilizar este método. El método consiste en alimentar el nivel freático cuando este baja demasiado. Si sube demasiado se corta el agua hasta que baje al nivel normal. Es prácticamente un juego con la tabla del agua. Solo se puede utilizar el método en terrenos planos máximo 0.2%. El suelo y el agua deben ser libres de salinidad ya que ene este método no existe lavado de suelo. El control de la tabla de agua se hace aumentando o disminuyendo el agua en los drenes, debiendo estar a distancia de acuerdo a las características del suelo y bien distribuidas en forma paralela. No es un método de gran futuro en la sierra del Perú con experiencia de ciertos valles húmedos.
RIEGO POR CAMELLONES: Este tipo de riego no esta bien difundido, su uso se limita para zonas de altura donde el frio es intenso, es decir las heladas se hacen presenten frecuentemente en las noches y durante el día altas temperaturas. Por lo tanto la planta no tiene la oportunidad de crecer adecuadamente, es por esta razón se realizan canales en tierra por debajo de la superficie con contenido de agua intercalados con áreas de cultivo y que durante el día estos canales absorben temperatura del sol para luego durante la noche este liquido compensa a la temperatura de las heladas y de esta forma proteger a las plantas para su normal desarrollo. Este tipo aprovecha a la vez que el agua asciende a la raíz de la planta por capilaridad en las alturas de nuestra serranía ya no es novedoso encontrar el riego por camellones tales como descanso, sillustany, Ayaviri, etc. RIEGO EN ANDENES: todos los métodos pueden adoptarse para ser usados en andenes, que no son sino terrazas. Los andenes dificultan el diseño del sistema de distribución, aumentan su costo, pero son un control efectivo de la erosión. RIEGO POR GOTEO: la distribución se efectúa localmente en la zona de mayor absorción de la planta o árbol.la penetración del agua es casi vertical. El sistema de riego por goteo consiste en la distribución de las gotas de agua que humedecen solo el área cercana a la planta o árbol es decir el área de mayor
concentración de las raíces el sistema consta de filtros reguladores de presión de tubos conductores, tubos laterales para bajar la presión y goteros. La limpieza del agua por medio de filtros es una parte importante del funcionamiento del sistema, para gotear bien. Cada gotero esta provisto de un regulador para bajar la presión del suministro del agua. Como el riego por goteo no es afectado por el viento, y debido a que el agua cae en al zona de mayor concentración de raíces, la raíces, la eficiencia de este sistema es mayor que de la de otros tipos de riego.
VENTAJAS POR EL RIEGO POR GOTEO:
Sistemas fijos. Distribución exacta del agua. Flexibilidad de aplicación.-es posible variar el intervalo de riego duración, presión aumentar el número de goteros, etc. Adaptación a condiciones de viento. Explotación de suelos problemáticos. Nutrición de plantas. Limitación de caudal horario.-se adecua al tiempo de trabajo. El error humano siempre que existe la posibilidad de demora el goteo se adapta. Cultivos altos (caso maíz, caña de azúcar no hay dificultad p0ara traslados de equipos portátiles). Problemas fito patológicos (facilidad de uso de fumigantes y fertilizantes). Acceso de maquinaria y transporte. Cronograma de riego equilibrado. Escurrimiento superficial, el riego por goteo es una solución ideal para suelos de baja infiltración. Riego selectivo de cultivos a medida que se desarrolla la planta. Riego selectivo del áreas entere hileras.- se obtiene menor rendimiento por área bruta y mayor rendimiento por unida de agua. Cosecha selectiva. Uso de las aguas negras o servidas para plantas de tallo alto. Uso de aguas salinas.- dada la capacidad de crear la zona húmeda sin sales alrededor de la planta.
DESVENTAJAS DEL RIEGO POR GOTEO:
Inversión inicial alta. El problema logístico es decir equipamiento laborioso. Filtración de agua.- la filtración debe ser sumamente estricta.
La fauna (daños causados por animales). Germinación de cultivos sembrados (se requiere una germinación). Protección contra calor y frio. Protección contra la erosión por el viento. Riego por saturación(machaco que requiere retirar el equipo de la parcela para cultivar el suelo y para la siembra) Riego suplementario cuando no hay suficiente lluvia durante la temporada. Anclaje de plantas.- para muchos cultivos, la red radicular cumple también la función de mantener el equilibrio de la planta. El control visual. Lavado de suelos.- para eliminar las sales requiere un movimiento uniforme del agua hacia abajo.
RIEGO POR ASPERSIÓN La eficiencia de aplicación de un sistema de riego por aspersión envuelve varios factores. Una de las consideraciones fundamentales es la uniformidad de distribución sobre el campo, como también la uniformidad de lluvia de cada aspersor. Uniformidad sobre el campo se obtiene, usando tubería de diámetro adecuado, teniendo como consecuencia un mínimo de diferencias de presión en una línea. Diferencias de presión de la línea principal o matriz no deben ser más del 15% de la presión cuando agua se entrega al último lateral. En los laterales la presión del primer espesor no debe de exceder el último en más de un 20%. La descarga de los aspersores varia con la raíz cuadrada de la presión, y en consecuencia la variación en descarga es menor que la presión. Para obtener suficiente uniformidad de la lluvia debe considerar se un traslapo en el campo de influencia de cada aspersor o sea fuera de la presión debe considerarse el espaciamiento de los aspersores. La eficiencia de un buen sistema diseñado para condiciones específicas es de un 80%, un promedio del 75% es aceptable. Otro punto de suma importancia es la intensidad de la lluvia artificial, debe ser menor que la infiltración del suelo. En caso contrario en agua se almacena en la superficie y no se cumple la idea de aspersión y la distribución pierde mucho. Además hay que estudiar un ciclo de riego para tener un aprovechamiento máximo del sistema de riego por aspersión. Al presentarse problemas en un sistema de riego por aspersión, conviene chequear.
1. Variación de presión en la matriz y laterales. 2. Distribución de la lluvia e intensidad. 3. Relación infiltración suelo intensidad lluvia. Podemos usar riego por aspersión en la sierra aprovechando la carga hidráulica natural que constituyen los canales, por lo general en cota muy elevad en relación al terreno por regarse, la instalación consta de un bomba, una o más líneas principales y laterales con aspersoñres.4 El sistema por aspersión no requiere más que la iluminación de las irregularidades del terreno solo en el caso de una pendiente fuerte se debe establecer cultivos en terrazas. La máxima pendiente tolerable para aplicar el riego por aspersión será hasta el 20%.
Se denomina riego por aspersión el método que consiste en aplicar agua a la superficie del terreno, variándola a manera de una lluvia ordinaria. Entre las condiciones en la que es indicado el empleo de la aspersión se encuentran: 1. Suelos que son demasiados porosos para que la distribución del agua sea aceptable cuando se emplean métodos de riego superficial. 2. Suelos superficiales cuya topografía impide la nivelación requerida por los métodos de riego superficiales de tipo tradicional. 3. Terreno con mucha pendiente y muy erosionable. 4. Caudal demasiada pequeño para distribuir con eficiencia el agua, por medio de riegos de superficie tradicionales. 5. Terreno demasiado ondulado, cuyo costo de nivelación para el riego de superficie es demasiado alto. 6. Mano de obra disponible para el riego, que no tiene experiencia en el riego de superficie ni es digna de confianza, dos condiciones básicas para regar por los métodos tradicionales. 7. Necesidad de que la tierra alcance su máxima producción lo antes posible.
VENTAJAS DEL RIEGO POR ASPERSION
1. El aforo de agua es más fácil con el método de aspersión. 2. Los sistemas de aspersores pueden ser proyectadas de forma que la interferencia con las restantes operaciones de cultivo y la perdida de superficie útil sean menores. 3. Con el empleo de la aspersión el rendimiento de aplicación es mayor. 4. Cuando el agua ha sido bombeada hasta el punto de su utilización, la presión necesaria para el rociado se obtiene con una inversión adicional mínima. 5. Cuando el agua para el consumo doméstico y la de riego tienen la misma procedencia se suele usar una tubería de distribución común. 6. En las zonas en el que el riego se da de tarde en tarde, el procedimiento de la aspersión necesita una inversión menor por área. 7. Siempre que el agua pueda ser llevada a la parcela por gravedad, la aspersión resulta particularmente la indicada. 8. Mediante la aspersión es posible realizar aplicaciones frecuentes y de pequeños volúmenes, cuando sean precisas.
DESVENTAJAS DEL RIEGO POR ASPERSION. a) Inversión inicial alta: Los implementos tales como bombas, pozos de almacenamiento, tuberías y aspersores para la distribución de del riego deben adquirirse conjuntamente, lo que significa una fuerte inversión inicial. Los equipos de estos sistemas tienen de 6 a 10 años de vida útil, menor que de los sistemas de gravedad que se estiman de 25 a 30 años de vida útil. b) Produce mayor evaporación: Cuando el clima es cálido como en la mayor parte de nuestro territorio y la lluvia es muy fina se incrementa la evaporación. c) Provoca el crecimiento de malas hierbas: Al ser difundido el riego las malas hierbas se extienden más. d) Produce asentamientos del suelo: Debido a la lluvia.
TIPOS DE ASPERSORES.- Existen diversos tipos de riego por aspersión: - Con la boquilla fija a los tubos. - De tubos perforados. - Y de cabeza rotativa.
Con boquilla fija a los tubos.- donde los tubos paralelamente dispuestos a intervalos de 15m descansan sobre hileras de horquillas. Los aspersores de tubería perforada.- se utiliza en el riego de huertos y viveros, y se ubican sobre el suelo, siendo la franja de terreno que cubre muy estrecha. Los aspersores de cabeza giratoria.- son los que en la actualidad tienen un empleo más difundido. La ventaja que ofrecen estos aspersores sobre los otros tipos consiste en la posibilidad de aplicar un caudal pequeño de agua.
PRESION EN LAS TUBERIAS.- los equipos de aspersores trabajan a muy diversas presiones, desde 0.35 hasta 7 kg/cm2. La presión depende de la potencia consumida, de la superficie a cubrir, del tipo de aspersor e mpleado y del cultivo que se requiere regar. Las presiones medias oscilan entre 1.5 y 3.5 y las altas presiones van de 3.6 a 7kg/cm2. Los aspersores gigantes operan a presiones que exceden de las 57 atmosferas. Los aspersores de baja presión tiene un radio de acción pequeño y lanza cantidades relativamente grandes para los espacios que existen entre aspersores, su empleo se limita a suelos que tienen durante el riego una velocidad de infiltración superior de 1.2 cm a la hora. Los aspersores de presión media, cubren mayores extensiones y tienen en gran amplitud de caudales de lanzamiento y las gotas de agua salen divididas adecuadamente. Los aspersores de altas presiones abarcan amplias zonas y el caudal precipitado sobre el espacio recomendado entre aspersores es mayor que el de la presión media. En general la distribución es buena, pero puede ser transformada con facilidad por el viento, debido a que las trayectorias del agua son más elevadas. Suelen proporcionar aplicaciones copiosas, de más de 20 cm a la hora, y el círculo mojado alcanza de 60m a 120m, el humedecimiento es muy completo cuando el tiempo está en calma, pero los vientos le afectan con facilidad.
SISTEMA DE ASPERSION.- Un equipo de aspersión comprende el aspersor, el tubo ascendente, el tubo de distribución lateral, la tubería principal y frecuentemente el grupo motobomba. Los sistemas de aspersión se clasifican en: Semimoviles, de acuerdo a la naturaleza de las partes que lo componen.
INSTALACIONES SEMIFIJAS.- (Llamadas también sistema sólido).
Se denomina así aquellas instalaciones en las que tuberías principales están enterradas y las laterales y los aspersores permanecen fijos dura nte toda la estación de riego, la mano de obra se reduce al mínimo y cuando se utiliza adecuadamente los rendimientos son máximos. Un solo hombre puede regar de 30 a 60Ha al día mientras que no empleando una instalación móvil, al máximo es de 15Ha. La instalación de tuberías enterradas y grupo fijo son las que se utilizan cada día más cuando se necesita riego frecuente y de poca intensidad en el caso de que los agricultores dependan exclusivamente del riego para proporcionar a los cultivos la humedad requerida durante el periodo de desarrollo.
SISTEMAS MOVILES.- Los sistemas móviles e componen de tuberías principales enterradas las laterales y los aspersores móviles y la estación de bombeo fija, cuando el sistema es absolutamente portátil, las tuberías laterales con los aspersores y el grupo motobomba son móviles con lo que su traslado de un punto a otro de terreno es fácil y su utilidad se extiende a una mayor superficie del mismo. SISTEMA DE ASPERSIÓN POR GRAVEDAD.- Uno de los sistemas de aspersión más económicos es aquel que utiliza una fuente de agua que se encuentra próxima y acierta altura de la zona que ah de regarse, cuando la fuente de agua esta sobre una colina, colindante a una altura suficiente para producir una presión en las boquillas del aspersor, sin necesidad de una bomba, el sistema se denomina de aspersión por gravedad. No se realiza gastos en bombas, motores, carburantes o electricidad. No obstante es preciso adquirir mayor longitud de la tubería principal, para trasladar el agua desde la zona a la parcela, que la que sería necesario en el caso de un sistema de aspersión normal, cuando mayor sea la longitud de la tubería principal el agua llegara con más presión a los aspersores, pero la tubería costara más. El proyecto más económico es aquel que resulta cuando se toma en consideración no solo las necesidades hidráulicas, sino también los costos de cada periodo de riego y la producción estimada.
IDEAS GENERALES SOBRE DISEÑO DE UN SISTEMA DE ASPERSION. Antes de empezar el diseño de un sistema de riego por aspersión será necesario realizar un estudio general del fundo que se considera con el fin de valorar en forma adecuada las condiciones existentes y diseñar el sistema con base en dichas condiciones específicas. En términos generales la información necesaria está constituida por los siguientes elementos:
EL SUELO.- La profundidad y las características físicas del suelo que tengan relación con su capacidad de retención de agua y su grado de infiltración, el grado de aplicación de los rociadores en ningún caso debe sobre pasar al coeficiente de infiltración del suelo para evitar el escurrimiento de agua superficial, por otra parte la periodicidad de los riegos y el tiempo total de aplicación estarán limitados por la capacidad de retención del suelo. LA TOPOGRAFIA.- La pendiente general, la altura y localización de las partes más bajas y más altas del campo. Estos elementos permitirán estimar la distribución de las presiones en todo el sistema de distribución y calcular la carga total de bombeo requerida para asegurar máxima uniformidad de aplicación. EL AGUA.- para diseñar el sistema será necesario localizar la fuente de abastecimiento de agua. Por otra parte, antes de diseñar el sistema será conveniente establecer la calidad de las aguas para los efectos del riego. El sistema
de distribución y la longitud del tubo principal estarán condicionados por la localización de la fuente de abastecimiento.
LOS FACTORES METEOROLÓGICOS.- La dirección y la velocidad de los vientos son factores importantes para determinar la dirección de los laterales y la distancia entre los rociadores según se indicó anteriormente. La temperatura y la humedad relativa, por otra parte, afectan la eficiencia del riego o sea la relación entre el agua utilizada por las plantas y el agua aplicada por los rociadores, la eficiencia de riego puede estimarse según la tabla siguiente: Condición existente
Eficiencia de riego en
% Climas secos calientes Climas moderados Climas húmedos fríos
60 70 80
EL CULTIVO.- Las cosechas que van a cultivarse deben determinarse previamente a fin de determinar los requisitos de agua del sistema y para co nocer la profundidad de suelo que debe humedecerse en cada riego. ENERGÍA DISPONIBLE.- Para seleccionar la unidad motora convendrá establecerse si en el tiempo que se estudia hay o no energía eléctrica disponible o si resultará necesario el uso de un motor de combustión interna o se utilizará el sistema de presión por gravedad. El voltaje y los cielos de la corriente disponible, así como el costo del kilowatio – hora y la localización de las líneas o el costo del combustible, serán datos necesarios para seleccionar el motor y estimar el costo de operación del sistema.
SISTEMA DE TRABAJO.- La modalidad del trabajo agrícola en la localidad que se estudia, así como el costo de la mano de obra, permitirán realizar un diseño que se adapte a éstas condiciones, y valorar los costos proba bles de operación del sistema en general los sistemas de riego por aspersión se diseña n para que operen en forma continua con movimiento de los laterales cada 5, 7, 11 ó 23 horas. REGLAS GENERALES PARA UN BUEN DISEÑO a) LOCALIZACIÓN DE LA LÍNEA PRINCIPAL Y DE LOS LATERALES .- La posición que puede darse a la línea principal y a las laterales en un sistema de riego por aspersión es prácticamente ilimitada. La localización del sistema de distribución debe persistir una eficiencia máxima de riego con un costo
1.
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mínimo de operación. Algunas reglas generales permiten llegar a una solución adecuada con un mínimo de trabajo. El número de rociadores debe ser tal que el total del campo se ejecuta en el número de días requeridos, con un grado de aplicación inferior al coeficiente de infiltración efectivo del terreno. El número total de posiciones de cada lateral debe ser inferior al producir entre el número de posiciones diarias por el número de días empleados para el ciego total del campo. Las líneas principales deben colocarse en el sentido de la máxima pendiente Los laterales deben colocarse en sentido normal a la máxima pendiente para que adopten una posición próxima a la horizontal. Los cambios de tamaño en la tubería que sean necesarios para controlar la presión deben hacerse en el tubo principal. Cuando el sistema consta de varios laterales el diámetro de estos debe ser uniforme a fin de que puedan intercambiarse. Siempre que sea posible la bomba debe localizarse en el centro del campo. El movimiento de los laterales debe planearse en forma rotatoria para evitar el transporte de los mismos a largas distancias. Cuando existan el en terreno áreas irregulares de difícil acceso puede considerarse la conveniencia de usar una bomba auxiliar para regar esas áreas.
Aparte de estas reglas generales en conveniente considerar que la fabricación de las tuberías en longitudes Standard de 20 30 pies impone espaciamiento entre rociadores y laterales que sean múltiplos de estas cifras. Por otra parte el tamaño de los rociadores, es también hasta cierto punto limitado y en consecuencia el sistema debe aceptarse a la disponibilidad de estos. Los sistemas de aspersión más frecuentes presentan un esparcimiento entre rociadores de 40 pies y una distancia entre posiciones de los laterales de 60 pies.
CAPITULO XII DESCRIPCIÓN DE OBRAS DE CAPTACIÓN CONCEPTOS GENERALES.- El agua utilizada por el hombre ya sea para consumo doméstico e industrial para riego y para producción de energía eléctrica, siempre ha requerido de una serie de obras de captación para ser conducidas eficazmente pero éste líquido elemento se encuentre en diversas modalidades, es así que la mayor parte del agua consumida por el hombre es extraída de los ríos y utilizada aprovechando la fuerza de la gravedad. Hay muchas regiones en el mundo en las cuales debido a la escasez del agua superficial se extrae el agua subterránea por medio del bombeo utilizándola especialmente para el consumo doméstico y a veces para el riego, frecuentemente el agua se bombea de ríos y lagos, en esta asignatura solo haremos mención a los diversos tipos de bombeo y nos abocaremos a las captaciones superficiales. CAPTACIONES POR BOMBEO.- Se tiene los de tipo no convencional y convencional: Los de tipos no convencionales.- Generalmente recomendables para el sector rural.- son las siguientes:
1.- captación por golpes de ariete.- Que son máquinas sencillas que no necesitan ningún tipo de suministro de energía (ni combustible, ni energía eléctrica) cuyo funcionamiento es completamente automático. Esta bomba de ariete puede ser construido íntegramente con material nacional, es de bajo costo de fabricación y el costo de mantenimiento es insignificante puesto que no existe partes que requieren lubricación, trabaja solamente donde puede existir caídas de agua (H) mayores de 1m, caídas desde un manantial, corriente de agua o un río.
1. Captación con turbo bomba. Los sistemas de turbo-bomba también constituyen una alternativa de solución al problema del sector agrícola. Tiene como características fundamentales el no requerir mantenimiento, ni suministro de energía alguna (ni electricidad ni combustible) y la sencillez de operación. Se adapta especialmente al bombeo de agua a las partes bajas de los valles hacia las zonas altas y si se desea puede proporcionar también energía eléctrica o cargar baterías. Es completamente automática, aprovecha recursos hidráulicos de manantiales, corrientes de agua o un rio con caudales de 30 a 1500 lt/seg. El sistema de turbo-bombeo puede suministrar mayores caudales con menor costo frente a la alternativa de una batería de arietes hidráulicos. Puede funcionar con saltos “H” de 2 a 25m.
Puede bombear hasta un máximo de 150m y 70 lt/seg. El sistema consiste en el acoplamiento apropiado de una turbina hidráulica tipo michell-banki para la propulsión de una bomba centrifuga turbina transmisión bomba forma un solo grupo sobre un bastidor de base. El agua a ser bombeado se deriva a partir de la tubería de presión hacia la bomba aprovechándose la altura inicial existente.
2. Captación con rio bombas. Una rio bomba es una maquina hidráulica que está compuesta de dos partes principales: una rueda hidráulica de corriente libre y una bomba alternativa de pistones. La rueda hidráulica aprovecha la energía cinética de la velocidad o caudal que circula por un rio, arroyo o canal de poca pendiente (0.80m/seg como mínimo). Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento de rotación de l a rueda se transforma en movimiento lineal alternativo que se requiere para accionar la bomba recíprocamente, que a su vez eleva el agua desde el rio hasta el nivel de descarga deseado. La rio bomba constituye una alternativa de solución al problema de la irrigación de tierras ubicadas en las partes altas de los valles, especialmente cuando no hay posibilidad de aplicar un sistema de bombeo basado en la caída de agua como fuente de energía, en estos casos el agua que circula por un rio, arroyo o canal tiene poca pendiente y no permite la instalación de bombas de ariete o turbo bomba.
3. Captación mediante rueda hidráulica. Esta máquina tiene la finalidad de generar energía eléctrica y con cuya energía eléctrica bombera el caudal requerido de agua para la irrigación.
4. Captación mediante Aero bombas. Es una máquina que utiliza la energía del viento para extraer el agua de los pozos, la energía del viento hace girar un eje mediante un rolor provisto de paletas. El eje está conectado a la bomba mediante un sistema biela-manivela para darle movimiento alternativo que eleva el agua.
5. Captación con Aero-generador. Es una máquina que aprovecha la energía del viento para convertirse en energía eléctrica y es utilizada para el accionamiento de pequeñas electrobombas.
6. Captación mediante bombas solares. Que utiliza paneles fotovoltaicos para producir electricidad la misma que es luego utilizada para el accionamiento de pequeños electrobombas.
7. Bomba manual. Son de dos tipos: - PISTON. Existen cientos de tipos de bombas como esta, se ha demostrado que las que poseen cámaras de amortiguamiento tanto a la succión como a la descarga son las de mayor rendimiento, el diseño de cada bomba depende de la profundidad del pozo.
-
SOGA. Estas bombas son utilizadas cuando la succion no excede de 10m, su movimiento rotatorio permite la elevación por tramos del agua, es de fácil construcción y mantenimiento. Requiere de mayor potencia, por lo que generalmente es accionada por dos personas.
8. Aerobomba savonius. Este tipo de bombas está siendo investigado, es una bomba tipo diafragma accionada por el molino tipo savonius accionada por el viento, logra bombear hasta 6m3/día hasta una altura de 6m, el caudal es proporcional también al cubo de la velocidad del viento.
9. Captación con air lift. Es una bomba utilizada principalmente cuando se requiere elevar aguas sucias corrosivas o con bastante contenido de cal, consiste en introducir aire comprimido a mayor presión que la altura de succión para que a través del burbujeo pueda elevar el agua.
10. Captación con burro bomba. Consiste en un mecanismo diseñado para convertir el movimiento en círculo que recorre el animal (burro, vaca, caballo, etc.) en movimiento alternativo y de esta manera se acopla una bomba de pistón para lograr la succión necesaria según la profundidad del pozo y el caudal que se requiere, puede utilizarse varios animales.
CAPTACIONES POR GRAVEDAD. Son aquellas situadas a suficiente altura sobre el sitio de consumo para que el agua corra por su propio peso. Dentro de las obras de captación existen muchos tipos diferentes pero básicamente se los puede clasificar en obras de captación por derivación directa y obras de almacenamiento. Las captaciones por derivación directa. Captan el agua que vienen por el rio sin ningún almacenamiento ósea que no hay ninguna regulación y se aprovecha el caudal que hay en un momento dado. Las obras de almacenamiento. Consiste en presas que cierran el cauce de un rio u otro sitio apropiado formando un reservorio o embalse en el mismo. El reservorio permite regular la utilización del caudal del rio, almacenando el agua en época de crecientes y utilizándola en épocas de sequía. El tipo de presa depende de una serie de condiciones pudiendo ser de tierra, piedra u hormigón y trabajar a gravedad o como aero. Dentro de las captaciones por derivación directa podemos mencionar los siguientes: 1. Captación de toma rustica. La captación de esta toma en el curso del rio representa la alteración de las condiciones naturales del flujo, por lo cual pueden producirse erosiones y alteraciones del cauce como consecuencia de socavaciones y rellenos por decantación de sedimentos, al haberse alterado las condiciones normales del régimen de aguas de rio, por lo cual el estudio de ubicaron de la toma debe ser muy cuidadoso.
2. Captación por rebose. Es otro tipo de captación el cual se construye toda vez que exista buena cantidad de agua inclusive en época de estiaje.
3. Captaciones frontales. Estas captaciones están ubicadas en su sección transversal del rio y están construidos de acuerdo al caudal, a la topografía, al transporte de sólidos, al transporte de sedimentos, a la vegetación, tipo de suelo, etc. Dentro de estos podemos clasificarlos como sigue: 3.1. Captación con barraje fijo. Estas estructuras se construyen en forma definitiva mediante barrajes, cimacios, atajos en la sección transversal de cuyo diseño nos ocuparemos más adelante.
3.2. Captación con barraje móvil. Son estructuras instaladas mediante compuertas que permiten pasar el agua en épocas de lluvias y en época de estiaje retiene para derivar al canal de derivación.
3.3. Captación mixta. Cuya estructura es una combinación entre la captación con barraje y a la vez en parte de tipo tirolesa.
3.4. Captación de tipo tirolesa. Llamada también como toma caucasiana o sumergida cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección de la presa derribadora, en una cavidad protegida por rejillas que impiden el ingreso de materiales sólidos, estas captaciones no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es muy intenso. En el Perú pueden diseñarse este tipo de tomas en las partes altas de la cordillera, donde las aguas son limpias, en el caso de los ríos torrentosos debe evitarse la obstrucción de las rejillas y tomar precauciones para su diseño.
3.5. Captación con tubería cribada. Es el caso de captación de fuentes superficiales sin regulación, el arrastre de partículas en épocas de crecidas puede ocasionar problemas cuando la turbiedad es muy alta por lo cual una variante que disminuya tal eventualidad se logra con una estructura de captación mediante lecho filtrante o tubería cribada.
Captación por gaviones: Este tipo de captaciones está constituido por elementos primaticos muy flexibles con mallas de alambre de acero fuertemente galvanizado, tejidos mediante una doble torsión las características de los gaviones están dadas por la abertura de la malla o cocada, el calibre de los alambres tanto de la malla como de los bordes y de amarres y el tipo de recubrimiento que estos tienen. Los gaviones se utilizan tanto en obras de captación como también en muros de contención. Tipos de gaviones: son 3 tipos:
Gaviones tipo caja: son prismáticos rectangulares constituidos por mallas que forman una base con paredes verticales y una tapa que eventualmente puede ser formada por separado, son denominados tipo caja porque la altura de una unidad fluctúa entre 0.5 -1m. Gaviones tipo colchón: están conformados de la misma manera que los gaviones tipo caja con la única diferencia que sus paredes verticales son de pequeña dimensión teniendo alturas que fluctúan 0.20 - 0.50m. Gaviones tipo saco: son gaviones especiales, de forma cilíndrica de 0.65m de diámetro y de longitudes variables, los cuales están constituidos por un único de mallas de forma rectangular, cuyo calibre de alambre de borde es mayor al de la malla estos gaviones deben ser amarrados en sus extremos y luego de ser llenados deberán ser unidos los lados mayores de la red, tomando así forma cilíndrica
Daños causados por los sólidos: En el diseño de las tomas o captaciones es necesario tener en cuenta los daños producidos por las partículas sólidas que forman el fondo de un cauce, ya que pueden ser arrastradas por el agua en tres maneras diferentes: a) Rodando en el fondo: en este caso se denomina arrastre de fondo. b) En saltación, cuando la partícula se levanta del fondo y se mantiene en el seno del líquido un lapso corto de tiempo y su avance se realiza a saltos. c) En suspensión, para esta condición la partícula debe ser muy pequeña o la turbulencia del agua debería ser grande El arrastre de sólidos puede ser perjudicial incluso en los causes estables y mucho más en los fondos móviles. Los problemas principales que Producen los sólidos son los siguientes: a) Deposición de materiales sólidos en los canales de conducción, produciendo la reducción de su sección b) Erosión de los revestimientos de los canales c) Disminución de la capacidad de captación de la toma y en algunos casos es motivo que las tomas se queden secos. d) Deterioro y erosión de la agujas y paletas de las turbinas de las centrales hidroeléctricas.
ELECCION DEL TIPO DE CAPTACION: Existen varios factores que definen el tipo de captación, entre los cuales podemos citar: el régimen del rio, el transporte de los sólidos, el caudal de captación, las características del lecho del rio, su sección transversal. PARTES UNA CAPTACION DE BARRAJE FIJO: son los siguientes: a) Muros de encausamiento cuya función es proteger los terrenos ribereños aguas arriba de la toma y evitar desbordamientos como consecuencia de la instalación del barraje. b) Presa derivadora o barraje es una represa construida transversalmente al rio con objeto de levantar el tirante y facilitar el ingreso del agua. c) Canal de limpia esta estructura tiene la finalidad de eliminar los sólidos que se depositen delante de las ventanas de captación. d) Bocatoma es la estructura que está ubicada en una de las márgenes del rio hacia aguas arriba del barraje y tiene por finalidad captar las aguas; consta de un vertedero u orificio de captación de rejillas y de compuerta de regulación.
DISEÑO HIDRAULICO DE LA PRESA DERIVADORA O BARRAJE ALTURA DE BARRAJE: La altura de barraje tiene por objeto asegurar la derivación del caudal necesario en el canal principal y permitir el paso de excedentes por encima de la cresta. El nivel de la cresta del barraje, como se muestra en la figura 1 será: Cc=Co+ho+h+0.20 en metros Donde: Co: cota del lecho del rio aguas arriba del barraje. Ho: altura del umbral del vertedero de captación, asumiendo que trabaja como vertedero. La altura de la cresta vertedera se fija tomando en cuenta el nivel que tendrán las aguas con los caudales proyectados en el canal de derivación mas las perdidas que ocurrirán en la toma. FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE El U.S. Bureau of reclamation y el US.S. army corps of Engineers han desarrollado varios perfiles standard en su wáteway – Exeriment station, los cuales tienen la expresión siguiente: Xn=K.(Hd)n-1.y Donde: x.y. coordenadas del perfil de la cresta. Hd. Carga neta sobre la cresta. k.n. parámetros que dependen de la inclinación de la superficie de aguas arriba.
Cuadro A coeficientes para calculo cresta del barraje INCLINACION K N VERTICAL 2.00000 1.850 3:1 1.936 1.000 3:2 2.0000 1.850 3:3 1.873 1.776 Estos perfiles recomendados evitan la presencia de presiones negativas que podrían generar cavitación ocasionando daños al concreto. Ver fig2
Se debe procurar que la longitud del barraje conserve las mismas condiciones naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su régimen. Asi una longitud mas angosta puede ocasionar una carga de agua alta o inundar las márgenes, en cambio una longitud de barraje amplia puede ocasionar azolves aguas arriba originado pequeños cauces, que dificultan la captación en la toma.
CAPASIDAD DE DESCARGA DEL VERTEDERO. La formula general de los vertederos es la Siguiente: Q = C x Lox H 3/2 Donde Q. descarga en m3/seg C. coeficiente de descarga en m ½ seg. Varia desde 1.66 a 2.21 Ver fig 3 También se expresa : C = K/3.28
donde K varia de 3 a 4.2
H. carga total sobre la cresta en M. Le longitu efectiva de la cresta en m. Le longitud efectiva de la cresta se determina con: Le = Lm – 2( n x Kp + Km ) x Ho Donde: Le. Longitud efectiva de la cresta Lm. Longitud total de la cresta n número de pilares Kp. Coeficiente de contracción de los pilares Km coeficiente de contracción lateral por muros Ho carga de operación Loas valores Kp varian desde 0.025 a 0.10 Para estructuras de control de cresta libre. La capacidad de descarga esta dada por la formula general de vertedores, mientras para orificios o compuertas
parcialmente abiertas la descarga se determina con la formula de orificios siguiente: Q = (c). (A). (2.g.H) 1/2 Donde: a área del orificio en m2 g aceleración de la gravedad en m/seg2 H carga al centro del del orificio en m. m. y C coeficiente coeficiente de descarga cuyo valor es de 1.84.
TIRANTES EN EL BARRAJE Y CONCHON DISIPADOR. a. Calculo del tirante al al pie del barraje. Co – h = (Vo)/2g = C1 + d1 + (V1) 2/2g + Pc Donde: Co cota de la cresta del vertedor C1 cota del colchón disipador H tirante sobre la cresta d1 tirante al al pie del talud Vo velocidad en la cresta del barraje V1 velocidad al pie del talud Pc perdida de carga entre 0 – 1 Considerando que d1 > 0.1 m ; debe cumplirse que: V1 = Q1/A1 = Q1/(b1.d1)
y
d1 = q1/v1
Si d1 obtenido es muy cercano al d1 supuesto se prosigue con el cálculo del tirante conjugado D2 = d1/2 + Por lo tanto:
221.
C1 + d1 + (V1)2/2g = c2 + d2 + (V2)2/2g + Pc2
CALCULO DEL TIRANTE T IRANTE NORMAL (dn) Al final del colchón disipador el flujo flujo debe recuperar el tirante normal de acuerdo a la sección y pendiente del cauce; con este objeto se calcula el tirante normal con
la formula de Manning y se vuelve vuelve a comprobar con la formula formula de Bernoulli en este tramo. Su expresión es; C1 + d1 + (V1)2/2g = Cn + dn + (Vn)2/2g +Pcn Como (Cn – C1), es aproximadamente de 0.50 a 1.00 metro, se tantea el nivel de piso de la poza de tranquilizacion hasta que se cumpla la ecuación anterior.
COLCHON DISIPADOR. Como consecuencia de la colocación de la presa derivadora o barraje en el cauce del rio se origina un incremento de la energía potencial, que al verter el el agua encima del barraje se transforma en energía cinetica que causa causa erosion, por lo cual es conveniente instalar un colchon disipador, para producir el salto hidráulico y amortiguar la energía. Ver fig 4. La necesidad de una poza de disipación y la forma de resalto está íntimamente relacionada al numero de Froude que se expresa: F = 1 El régimen es critico y el resalto no pude formarse. F < 1.7 No es necesaria la poza de disipación. 1.7 > F < 2.5 2.5 El régimen es transitorio y no se forma forma un verdadero resalto, se debe aumentar en 10% el valor del tirante conjugado. 2.5 > F < 4.5 el régimen se denomina de transición 4.5 > F < 9 El resalto es bien balanceado
El resalto es efectivo pero con una superficie muy irregular aguas abajo.ver figura 5 a. Calculo de la longitud del colchón colchón disipador o longitud de salto salto Para calcular la longitud del salto hidráulico existen varias fórmulas empíricas y los del U.S.B.R Que se muestra en la fig n° 6, para el tanque amortiguador tipo 1. El grafico de bakhmeteff está en función del número de froude y de la relación y la relación L1/d1l, donde dl=d2-d1 Ver figura n°7 Entre las formulas recomendadas podemos citar las siguientes: L= (5 a 6)(d2-d1) Schoklitsch L=6.d1.f1 Safranez, siendo f1=1/(g.d1)
L= 4.d2 US. Bureau of Reclamation b. Control de la filtracion El agua que se desplaza debajo de la presa por efecto de la percolación causa el arrastre de los materiales finos creando el fenómeno llamado de la turificación Según Lane el camino de la percolación viene dado por la fórmula : Lw = ∑v+∑(H/3)
Que indica que el camino de percolación es la sumatoria de los recorridos verticales mas un tercio de la sumatoria de los recorridos horizontales, por lo cual los recorridos horizontales equivalen a 1/3 de los recorridos verticales, otras fórmulas las reducen a 1/5 La longitud del camino de percolación depende del coeficiente de Lane y de la diferencia de cargas hidrostáticas agua arriba de la presa vertedora y de la uña de disipación. Ver figura n° 8 . su expresión es : Lw=C.h Dónde: Lw, longitud del camino de percolación. H, diferencia de cara hidrostática entre la cresta del barraje y la uña terminal de la poza de disipación. C, coeficiente de Lane Cuadro B DE LANE
COEFICIENTE
Material Arena muy fino o limo
8.5
Arena fina
7.0
Arena tamaño medio
6.0
Grava fina
4.0
Grava media
3.5
Grava gruesa
3.0
Bloques con grava
2.5
Arcilla plástica
3.0
Arcilla de consistencia media
2.0
Arcilla dura
1.8
Arcilla muy dura
1.6
En el caso que la poza de disipación no tenga dimensiones que sobrepasen o igualen la longitud requerida por la percolación según la fórmula de Lane, se puede entender el perfil inferior de la loza o construir tablestacados con la finalidad de obtener el camino de percolación. En el caso que al final de la poza haya supresión se puede perforar la losa para adicionarle lloradores con tubos de 6* a 8* de diámetro, para disminuir la presión. También se acostumbra adicionar una banqueta hacia aguas arrib con objeto de alargar el camino de percolación. c. Espesor del solado (e) El espesor del solado de la poza de tranquilizacion está en función de la supresión que debe ser contrarrestada por el peso de la losa, es decir: Dónde: w, peso, y Sp,supresión. O también : β.A.e=ϒ .A.h Dónde : β, peso especificado del material de solado.
A,área E,espesor del solado ϒ,peso especifico del agua
H,carga hidrostática Por tanto. E = h.ϒ/β Por seguridad debe ser corregido y se tiene:
E = 4/3.h. ϒ/β El espesor de la losa del colchón disipador es: T=4/3H Dónde: T espesor en m. H valor máximo de la supresión en kg/m2. ver figura. d. Enrocado de protección o escollera. Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o un enrocado con el fin de reducir la erosión y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración. La longitud de la escollera recomendada viene dada por la formula siguiente: Lt, longitud total de escollera C= coeficiente de bigh Db = altura comprendida entre l cota de la cresta del barraje y la cota del extremo auas abajo. Q= caudal por metro lineal de vertedero Lc, longitud colchón o resalto hidráulico. Ver fig 10
LOS COEFICIENTES DE BLIGH SEGÚN EL MATERIAL SON: CUADRO C COEFICIENTES DE BLIGH LECHO DE CAUCE COEFICIENTE DE BLIGH Arena fina y limo 18 Arena fina 15 Arena gruesa 12
Grava y arena 9 Bolones y arena 4-6 Arcilla 6-7 Diseño del canal de limpia El canal de limpia es la estructura que se instala en las tomas con objeto de eliminar los sedimentos que se depositan al ingreso del bocal de toma y que permite mejorar la captación en las épocas de estiaje especialmente con ríos de gran variación de caudales como los de la costa peruana. Su trazo es perpendicular al eje del barraje y su flujo en el mismo sentido del rio; puede formar ángulos entre 60 y 90 con el eje de captación. Para separar el canal de limpia del barraje fijo se construye un muro guía que permite encauzar mejor las aguas hacia el canal de limpia. a. velocidad de arrastre la magnitud de la velocidad para iniciar el arrastre de los sólidos depositados viene dada por la formula : Vc= 1.5©(d)1/2 = 1.5 Vs Donde: Vc, velocidad requerida para iniciar el arrastre. C, coeficiente en función del tipo de material. Arena y grava redondeada: 3.2 Grava rectangular : 3.9 Arena y grava : 3.5 a 4.5 d, diámetro del grano mayor Vs, velocidad de arrastre ver figura 11
b. ancho del canal de limpia el ancho del canal de limpia debe tener las siguientes características. El caudal debe ser por lo menos del doble de la capacidad de la toma o derivar el caudal medio del rio. La velocidad del agua en el canal de limpia debe variar entre 1.5 a 3 m/seg o por lo menos ser igual a la velocidad de arrastre. Se recomienda que su ancho se un décimo de la longitud del barraje. Este ancho sirve de referencia y es recomendable que se disponga de un ancho que no se obstruya con el paso de los materiales de arrastre de fondos y con palos. Se recomienda que tenga un mínimo de 5 metros o múltiplos de esta medida con objeto de normalizar el ancho de compuertas y pilares. El ancho del canal de limpia se puede obtener de las relaciones siguientes: B=Q/q y q=(Vc)3/g Dónde: B, ancho del canal de limpia en m. Q, caudal que discurre en el canal de limpia q, caudal por unidad de ancho . Vc, velocidad de arrastre g, aceleración de la gravedad c. pendiente del canal de limpia la pendiente del canal de limpia debe permitir el arrastre de los materiales que arrastra el rio, se calcula seun la fórmula: sc=n2*g(10/9)/q(2/9) Dónde: sc, pendiente del canal de limpia n, coeficiente de rugosidad de manning g, aceleración de la gravedad
q, descarga por unidad de ancho el fondo o niel del canal de limpia debe estar por lo menos de 60 centímetros a 1.2 metros mas abajo que el bocal de toma, y el extremo de la poza de tranquilizacion del barraje fijo. Estructuras principales del canal de limpia. El canal de limpia o barraje móvil tiene generalmente un muro de guía que separa el barraje fijo del móvil y permite encauzar el flujo hacia el canal de limpia y puede continuar hacia aguas abajo separando la posa de disipación en dos segmentos Para contener las aguas se instalan compuertas entre los pilares que constituyen lo que se denomina barraje móvil, tienen mecanismos de iaje instalados en la losa superior. Generalmente aguas debajo de las compuertas hay una posa de disipación para producir el salto hidráulico. Mecanismos principales del canal de limpia. Los mecanismos que permiten eliminar los materiales solidos que se depositan frente a la toma y regulan las aguas frente a la toma en las épocas de estiaje lo constituyen las compuertas de limpia y sus respectivos mecanismos. En la temporada de estiaje las compuertas permanecen cerradas para conseguir un tirante apropiado de las aguas frente a la toma, en el caso de avenidas estas compuertas deben suspenderse a un nivel superior a la máxima avenida para evitar que puedan dañarse. En los diseños e las compuertas del canal de limpia se prefieren las compuertas deslizantes de la forma rectangular izadas mediante vástagos si son pequeñas y en el caso de ser grandes se izan mediante polines y cadenas. Cuando se requiere cerrar el flujo mediante una toma de barraje móvil se prefiere instalar compuertas radiales de mayores dimensiones y efectuar la regulación de la captación mediante ls compuertas de los degravadores. Toma o captación. La mayor parte de las tomas se han hecho en un anulo recto con el barraje pero el bocal con el rio puede quedar con un anulo entre 20 y 30. La capacidad de la toma se determina de acuerdo a las demandas de la cedula de cultivos en el caso de un proyecto agrícola, o de acuerdo a las capacidades de la central hidroeléctrica o del proyecto de abastecimiento de agua potable considerando adicionalmente las perdidas necesarias para eliminar los sedimentos que pudieran ingresar. La velocidad de entrada del agua por los anos del bocal de captación debe quedar
comprendida entre 0.8 y 1.2 m/seg. El bocal de la toma se ubica por lo general aguas arriba del barraje vertedero, procurando que el ingreso de sedimentos sea el mínimo. La toma generalmente es de forma abocinada, en la parte anterior se instalan los orificios de captación separados por muros, y los flujos de cada compuerta se amortiguan en una poza de tranquilizacion que termina en el punto inicial del canal de derivación. Con el fin de proteger la toma se levanta una pantalla frontal donde se abren las ventanas de captación, puede adicionarse en la parte anterior un canal de fuerte pendiente para eliminar gravas, llamado canal degravador. Los caudales de captación se calculan como vertederos: Q=C.L.h(1/2) En el caso de que trabajen como orificios, el caudal viene por la fórmula: Q=c.A.(2gh)1/2
Estructuras principales de la toma a) Ventana de Captación. Las ventanas de captación son las entradas de agua de la hora de toma que en ciertos casos están instaladas en un paramento de concreto totalmente protegido, detrás del vertedero de toma u orificio se colocan los mecanismos de cierre de emergencia y luego las compuertas de control, sus mecanismos de izaje deben ser localizados en una elevación superior a las máximas avenidas.
a) Canal Desripiador. Entre el vertedero de captación y los orificios, se toma o después de los orificios de toma se proyecta un canal transversal al flujo con el propósito de decantar los materiales solidos que pudieran haber ingresado en el bocal de toma. Este canal debe tener una fuerte pendiente para eliminar las gravas agua abajo del barraje.
b) Poza de tranquilizacion o poza disipadora. Como consecuencia del nivel de la cresta del baraje en la relación con la cota del lecho del rio, se produce una diferencia de cargas que es necesario controlar mediante una transición o una poza disipadora. Para determinar los niveles en la poza de tranquilizacion desde el vocal de toma al punto de inicio del canal de derivación se aplica sucesivamente la fórmula de Bernoulli teniendo en cuenta las perdidas. (VER FIGURA N° 12). Las principales perdidas en la toma y poza, son:
Perdida de entrada P = Ke.hv
Donde: TIPO DE ENTRADA Ke Entrada abocinada 0.04 Aristas redondeadas 0.23 Aristas rectas 0.50 Perdida en transiciones
Pt = 0.1 (hv1 – hv2) ó 0.2 (hv1 – hv2)
Perdida en rejillas
Donde:
Pr=∗⁄ ∗sin∗ℎ
Kr: Coeficiente que depende de la forma de sección de la reja. S: Espesor de las rejillas B: Espaciamiento neto de paso entre las rejillas ϴ: Angulo de inclinación de la reja V: Velocidad frente a las rejillas Hv: Altura con respecto a la energía cinética
Para el flujo esviajado, es decir con una desviación en sentido del flujo, la fórmula de Monsoyi es:
=∗⁄ ∗
c) Aliviaderos En algunos casos por la mala operación de las compuertas de regulación ingresan caudales mayores al fijado para el canal de derivación por lo cual es necesario instalar aliviaderos para esas emergencias inmediatamente después del inicio del canal de derivación. (Ver figura 13) En este caso el caudal por eliminar es:
Donde:
= 45 ∗ℎ∗∗2∗∗ℎ
Q, caudal evacuado por el aliviadero en m3/seg. L, longitud del aliviadero en m. H, diferencia de niveles en el aliviadero en m. C, coeficiente de descarga aproximadamente 0.50.
MECANISMOS PRINCIPALES DE LA TOMA Los mecanismos principales en el bocal de toma son los siguientes:
a. Rejillas. Las rejillas se instalan en el vertedero de toma o en otros casos antes de los orificios de captación con el objeto de impedir el ingreso de materiales flotantes que lleva el rio, los cuales pueden causar obstrucción en la captación o disminución del caudal captado. La limpieza de los materiales adheridos a las rejas se hace mediante rastrillos mecánicos. Las rejillas son platinas metálicas de diversas formas que pueden variar de rectangulares a circulares, unidas mediante soldaduras formando paneles. Las separaciones de las rejillas dependerán del material que se quiera retener: generalmente varía de 4” a 8”, recomendándose que se pueda
disminuir el espaciamiento en la parte inferior del bocal. Las rejillas pueden ser verticales, pero es más conveniente que tomen cierta inclinación para facilitar su limpieza. (Ver figura 14). Como se indicó anteriormente la principal objeción en relación a la instalación de rejillas son las pérdidas de carga que producen. b. Compuertas de Emergencia. Estas compuertas se instalan en la parte posterior de la pantalla frontal y como su nombre lo indica por objeto un cierre violento de las ventanas y orificios de la captación. En algunos casos se efectúa una ranura en la pantalla para soltar maderas preparadas con ese objeto en la loza de os mecanismos de izaje o son compuertas que caen violentamente cuando se corta sus marras: su objetivo es evitar el ingreso de materiales arrastrados en una avenida o
huayco producido aguas arriba, evitando en esa forma el daño de las compuertas y destrucción de la toma.
c. Compuertas de regulación Son compuertas ubicadas detrás de las primeras y que tienen por objeto regular y controlar el caudal de ingreso, la capacidad máxima de captación del conjunto de compuertas instaladas debe ser similar a la capacidad del canal de derivación, recomendándose que la velocidad de ingreso frente a las compuertas sea de 2.0 a 2.5 m/s. El caudal que pasa por cada compuerta de tipo rectangular se calcula mediante la fórmula de orificios.
C: 0.6 a 0.8.
=∗2∗∗ℎ
Cuando la luz de las compuertas es muy grande es preferible dividirlas y procurar dimensiones estándar.
d. Compuerta de Purga del canal Desripiador o degravador. La compuerta del canal Desripiador tiene por objeto eliminar los materiales gruesos depositados en el canal Desripiador y eliminarlos aguas debajo de la toma. Las compuertas del canal Desripiador se maniobra de acuerdo a la
cantidad de materia acumulado, por lo que deben ser resistentes y de operación intermitente. El tomero debe cuidar de la buena operación de esta compuerta, para efectuar el afine de los caudales de captación mediante la apertura o cierre de estas compuertas.
CRITERIOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE COMPUERTAS Generalmente las compuertas se construyen de acero cuyo espesor minimo es de 6 a 10. El acero usado debe ser tratado para resistir la corrosión. Se debe tener en cuenta los aspectos siguientes:
Altura: debe sobrepasar los 0.20m el nivel del umbral de la ventana. Tirante de agua de rebose permisible: 0.30 a 0.50m Altura de Izaje: Las compuertas deben estar 1.50 a 2.00 m sobre el nivel de la máxima avenida. Velocidad de izaje: se recomienda 0.30 cm/minuto. Tipo de izaje: se usan cables cuando las luces son grandes y vástagos de acero cuando las luces son pequeñas.
Los mecanismos de izaje para levantar las compuertas suelen ser de operación manual, hidráulica, eléctrica y en otros por telemando es decir accionados a distancia. La fuerza necesaria para levantar las compuertas son:
=∗++
H, carga efectiva sobre la compuerta. F, Coeficiente de fricción
W y w, pesos de la compuerta y del vástago (cuerda a manera de gusanito). A, área de la compuerta. Las compuertas circulares standard, más recomendadas son: 0.457m 18” 0.610m 24” 0.762m 30” 0.914m 36” Las compuertas circulares se utilizan para pequeños caudales y vienen montadas conjuntamente con los vástagos, por lo cual su instalación es sencilla. Las
compuertas deslizantes standard, se construyen de formas cuadradas y rectangulares con diversos sistemas de izaje, las menos pesadas con izadas mediante vástagos que pueden operarse manualmente, mientras las más pesadas tienes polines para facilitar el deslizamiento de los mecanismos de izaje de las guías. Las compuertas deslizantes standard. Tienen las siguientes expresiones en centímetros.
a. 76 61 91 91 122 91 107
b 76 91 61 91 91 122 107
a 122 152 152 152 183 133 200
b. 122 122 152 183 152 183 200
(Ver figura 15) Se utilizan principalmente en las compuertas del canal de limpia y en las compuertas del bocal de toma y en las compuertas de los conductos de fondo en una represa. Las compuertas Wagon son también deslizantes pero más pesadas y pueden emplearse para evacuadores de crecidas y se maniobran automáticamente o por comandos mecánicos. Las compuertas radiales standard, con dimensiones en metros son: A 1.50 2.00 2.50 3.00 a 5.00
B 1.50 a 3.00 1.50 a 4.00 1.50 a 5.00 2.00 a 6.00
A, altura B, ancho
Las compuertas radiales o de sector son los mecanismos más recomendados para cerrar un flujo, se usan para barrajes móviles, evacuadores de crecidas de una presa e igualmente pueden ser utilizados en los bocales de toma. (Ver figura 16).
Particularmente puede construirse en unidades ligeras y económicas para grandes alturas de agua, son fáciles de operar tiene la posibilidad de eliminar cuerpos flotantes y permiten mantenerlas a nivel constante. Los mecanismos de izaje de las compuertas se fabrican para operarlos manualmente, mediante motores eléctricos, servomotores, dispositivos hidráulicos u últimamente por telemando es decir con control a distancia.
MUROS DE ENCAUSAMIENTO Son estructuras que se construyen aguas arriba y aguas abajo del barraje en ambas márgenes con la finalidad de encausar el flujo del rio y proteger las obras de la toma. Los muros de encausamiento pueden ser de concreto simple o de concreto armado, o ser diques construidos de tierra o de enrrocamiento según los materiales que pueden conseguirse en zonas próximas a la toma. Ver figura 17 y 18. Para fijar la altura de los muros se calcula la curva de remanso que se producirá como consecuencia de la implantación del barraje en el rio, estos cálculos deben efectuarse en base a la avenida máxima de diseño y considerando un periodo de retorno apropiado. Para la determinación del borde libre se debe tener en cuenta los efectos del oleaje debido al viento. Hacia aguas arriba finaliza el muro en el extremo de la curva de remanso, mientras que hacia aguas abajo coincide con el final de la poza de disipación. Con respecto a la cimentación los muros deben cimentarse por debajo de la profundidad de socavación, para asegurar su estabilidad. De acuerdo a las dimensiones del muro se los diseña teniendo en cuenta las presiones del relleno de tierra y la presiona máxima del agua. Se debe comprobar que la resultante de fuerzas pase por el tercio central, resista el des izamiento y no se produzca asentamientos en el terreno de cimentación.
Calculo de la Curva de Remanso El descubrimiento del agua en los canales y en los cauces naturales no obedecen siempre a las leyes del movimiento uniforme, debido a las irregularidades de las pendientes y de las secciones, como a los obstáculos que se presentan en los cauces (puentes, compuertas), que crean zonas de escurrimiento variado.
Lo anterior implica dos consideraciones:
El fluido debe ser permanente. Las líneas de corriente sean prácticamente paralelas, para que permanezca la repartición hidrostática de las presiones en la sección del canal.
Para el cálculo de la curva de remanso emplearemos el método standard de aproximaciones. En los cauces naturales, es necesario realizar inspecciones de campo para colectar los datos requeridos
Para explicar nos referimos a la posición de la superficie de agua con respecto a un plano horizontal, teniendo en cuenta que según la formula de Bernoulli Z1 = Z2 +S0L + Y1 Z2= Z2+Y2 Establecimiento la ecuación de energía : Z1 + v12/2g = Z2 + VA 2/2g + Hf + Ho DONDE: Hf es la perdida por fricción Ho la pérdida por turbulencia que puede ser apreciable en canales no prismáticos. El factor k por cambio de carga de velocidad puede adoptar los valores siguientes: K, varia de 0 a 0.2 para tramos gradualmente convergentes y divergentes respectivamente. K 0.5 para expansiones y contracciones abruptas. Tenemos finalmente: H1 = Z1 + v1 2/2g H2 = Z2 + V12/2 Por tanto H = h2 + hf + he Para el calculo de la curva de remanso en un cauce natural, es conveniente efectuar el levantamiento topográfico del tramo y verificar en el terreno los valores del coeficiente de rugosidad del cauce para fijar la traza del flujo.
ESTUDIOS PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCION DE LA TOMA Es importante la investigación geológica y geotécnica del área donde se construirá la toma , dado que en base y a sus resultados se optara por los procedimientos mas convenientes de la construcción Las investigaciones que se efectúan son las siguientes
INVESTIGACION GEOTECNICA Y DE MECANICA DE SUELOS Se efectúan mediante un reconocimiento previo de la geología superficial y de un programa de perforación de diamantinas y calicatas con el objetivo de conocer los diferentes materiales y estratos del lecho del hasta el bed rock en algunos casos esta investigación se complemente con ensayos de prospección electrónica y sísmica. Cuando las condiciones lo permiten se consideran calicatas de las márgenes del rio para una visualización directa de los estratos para la realización de pruebas de mecánica de suelos.
INVESTIGACIONES EN EL AREA DE CIMENTACION DE BARRAJE Tiene por objeto conocer las características de los suelos como son ensayos de penetración estándar ensayos de carga, ensayos de hincado de pilotes en los tablestacados, que permiten definir los procedimientos de construcción y diseños.
DISEÑO ESTRUCTURAL Todas las captaciones deben cumplir los requisitos de seguridad . 1.- Resistencia a las fuerzas de gravedad 2.-Resistencia a las fuerzas dinámicas 3.-Impermeabilidad
RESISTENCIA A LAS FUERZAS DE GRAVEDAD El diseño estructural de la captación en lo referente a las fuerzas de gravedad debe considerar las fuerzas estáticas siguientes: Peso propio Presión del agua Empuje de tierra Peso del agua Supresión
ESTABILIDAD DE LA CAPTACION Para establecer la estabilidad se debe garantizar resistencia al vuelco.- se expresa: Cv =
≥2
Donde: Mv, momento de cargas verticales con respecto al punto. O , extremo del tercio central de la base. Mh, momento de las cargas horizontales c/r hasta 0
RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO : Cd = Donde:
.
≥2
Fv, suma de fuerzas verticales F, coeficiente de friccion Fh, suma de fuerzas horizontales
RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO: Se expresa que los esfuerzos de compresión máxima en la captación y el suelo de cimentación deben ser menores al esfuerzo permisible. Es decir : f max ≤ f permisible
RESISTENCIA A LAS FUERZAS DINAMICAS Tanto la cresta y el cochon disipador se deben proteger al paso de las avenidas máximas como a la posible erosion ocasionada por materiales de arrastre y flotantes El impacto de estos materiales pueden erosionar las paredes y provocar la destrucción de las estructuras, en algunos casos será necesarios recubrirlos con planchas de acero y con piedras igualmente deben protegerse el colchón mediante unas para evitar su socavación.
IMPERMEABILIDAD Se debe procurar que el barraje sea impermeable o lo menos permeable posible y lo mismo deben evitarse filtraciones en la cimentación, evitando en lo posible velocidades que pudieran arrastrar en los materiales finos y producirse cangrejeras que pueden ocasionar asentamientos. Algunas soluciones para evitar estos inconvenientes son:
Colocación de tablestacados debajo de la presa o cortinas mediante muros de concreto o de pilotes asegurar una longitud conveniente de la poza de disipación para evitar en sifonamiento.
RECOMENDACIONES La captación es una de las principales estructuras de un proyecto hídrico, por lo cual debe diseñarse con toda seguridad, y no adoptando soluciones de otras presas derivadores; dado que cada proyecto tiene condiciones diferentes. Los estudios de ubicación y los de hidrología de la cuenca superior son muy importantes, así como el análisis de aluviones que pueden comprometer el cause Las superficies de todos los elementos de toda la estructura deben tener una apariencia terminada y exenta de irregularidades Para definir los diseños conviene efectuar modelos hidráulicos reducidos con lechos móviles para estudiar el régimen del rio, las estructuras del barraje fijo compuertas de limpia desgravadores y el bocal de toma. Como la captación es una de las estructuras más caras conviene determinar su vida útil en función del coste total del proyecto y procurando ocasionar las menores perdidas en el mismo
DESARENADOR El desarenador es una estructura que tiene por finalidad de permitir que como consecuencia de las velocidades bajas con las que circulan en ellos se sedimentan las partículas sólidas que arrastra el agua en los causes libres, como es el caso de los ríos y de esa manera no lleguen con su efecto abrasivo a las diferentes obras civiles tales como canales, reservorios etc. Que provocaría la erosión de las mismas. La eliminación de los sedimentos en supresión son más exigentes, los proyectos de plantas de tratamiento para potabilizar el agua y en las centrales hidroeléctricas de alta caída, pero son menos exigentes en los proyectos de irrigaciones, donde puede ser conveniente en algunos casos conducir en los primeros finos para mejorar los suelos arenosos especialmente en los proyectos de la costa peruana tiene extensos arenales. Es usual diseñar los desarenadores para eliminar un límite inferior del tamaño de las partículas, sin embargo es mejor controlar el grado de desarenamiento (relación entre la concentración después y antes de la desarenacion). Los degravadores son estructuras que generalmente se instalan entre la toma y los
desarenadores y tienen por objeto eliminar las gravas antes de que puedan ingresar los desarenadores Durante el periodo de avenidas , las aguas de los ríos transportan material solido en suspensión y de fondo que fluctúa entre el 80% y el 90% del total del año En ese lapso de tiempo los vasos de almacenamiento reducen su capacidad y vida útil y los canales de irrigación se colmatan de sedimentos o en el peor de los casos se erosionan y en algunos casos quedan inhabilitados. Con el objeto de escoger el tipo mas conveniente de desarenador se efectúan los siguientes estudios :
TOPOGRAFIA Los desarenadores requieren ares planas para la ubicación de diversas estructuras GEOLOGIA .- para la selección del tipo de desarenador se realizan los estudios geológicos y de mecánica de suelos para reconocer las formaciones geológicas y las propiedades de los terrenos y material rocoso en una profundidad de 10m HIDROLOGIA La información hidrológica debe referirse al periodo de avenidas y alas mediciones de sedimentos para conocer los volúmenes en suspensión y de los solidos de fondo .
ANALISIS DE SOLIDOS .- Es igualmente importante conocer la granulometría y las características de las partículas minerales especialmente de alta dureza , mayores de 5 en la escala de mho. ANALISIS DEL USO DEL AGUA .- en el caso de proyectos de irrigación basta eliminar partículas mayores de 0.5 mm dado que podría ser aconsejable el transportar arcillas y limos para mejorar los suelos de áreas desérticas. CLASIFICACION DE LOS DESARENADORES.- se clasifican en :
LENTOS : cuando tienen velocidades de escurrimiento entre 0.20 y 0.60m/s .que permiten eliminar partículas hasta de 0.5mm RAPIDOS : cuando tienen velocidades altas 0.60 a 1.5m/s que permiten eliminar partículas de 0.5mm. CONTINUOS: cuando los sistemas de operación son continuados DISCONTINUOS: cuando no lo son EN SERIE: cuando las pozas se ubican una después de la otra EN PARALELO: cuando las pozas se ubican una al costado de la otra.
SEGÚN LA UBICACIÓN DE LOS ORIFICIOS DE PURGA , PUEDEN SER : Desarenadores de orificios frontales , laterales, y de fondo.
SEGÚN EL SISTEMA DE EVACION PUEDEN SER : Por arrastre , repartido y mixto
DISEÑO DEL DESARENADOR.- de acuerdo la teoría de sedimentación (w) es velocidad de caída de las partículas en aguas tranquilas y velocidad critica de sedimentación , que depende del tamaño de los granos. LONGITUD DE CAIDA la longitud de caída de una partícula se relación con las anteriores velocidades y se expresa: L = (h.V)/w Para relacionar la anterior ecuación con las dimensiones mínimas del tanque de sedimentación tendremos que el caudal por unidad de tiempo será : Q = b . h . V.
VELOCIDAD DE SEDIMENTACION (W) Sellerto demostró la inaplicabilidad de la ley de Stokes para precipitación de partículas mayores de 0.1 mm. En esta ecuación la velocidad de sedimentación W , queda relacionada según estudios de sudry, por el peso especifico del agua con cierta concentración de sedimentos . el diámetro de las partículas a precipitar , dando la velocidad de sedimentación en cm / seg.
VELOCIDAD CRITICA DEL FLUJO ( V ) Por otro lado la velocidad critica (v ) de las partículas depende del tamaño de estas La formula de camp para el calculo de la velocidad critica V es :
√
V = (a) D = diámetro de sedimento ( mm)
( en cm/seg)
El coeficiente a tiene los valores mostrados en el cuadro siguiente:
A
d(mm) 36 >1 44 01-feb 51 <0.1 FORMULA DE VELIKANOV
Teniendo en cuenta el efecto retardador de la turbulencia que se hace mas lenta la decantación en agua fluyente la longitud de caída de las partículas según velikanok es : L = δ 2v2(
√ ℎ
-0.21 )2/7.51(w)2
Donde h, altura caída de las partículas en la poza δ , depende de la relación de concetranciones antes y después de la sedimentación , El valor de δ se da en
la curva de la figura siguiente.
FORMULA DE BESTELIT BUCHT Según bestelli, buchi la longitud viene dada por la formula
∝ ∝
Donde W1= .v y
L = v.h/w-w1 = 0.132/h1/2
NORMAS RUSAS .- se puede relacionar el grado de desarenamiento o garantía de precipitación en (%) con curvas de función W/V , que permiten decidir la relación h/L y fijar las dimensiones del desarenador . se recomienda utilizar eficiencia entre 95% y 98% , las pozas largas y anchas son mas económicas que las profundas , se prefieren tirantes entre 1.5 y 4m ( altura poca útil y velocidades menores de 0.69 m/seg . DIAMETRO DE PARTICULAS POR ELIMINAR .- En los proyectos de riego generalmente es suficiente eliminar partículas mayores d e 0.5mm . y algunas veces es conveniente de soportar materiales finos con diámetros menores con la finalidad de mejorar los suelos del proyecto.
MEDIDOR PARSHALL DESCRIPCION.- Este medidor es una aplicación del aparato de Venturi y por lo tanto, la aplicación del teorema de Bernoulli estuvo muy difundido en EE.UU donde fue ideado por Ralp L. Parshall en la estación experimental agrícola colorado en 1929 así como en Europa como en América Latina; inicialmente toma el nombre de Medidor de Venturi mejorado, pero más tardo y en reconocimiento al inventor, en forma ofic ial se ha denominado “conducto medidor parshall”.
,
VENTAJAS DEL MEDIDOR PARSHALL.- las ventajas siguientes han permitido tal aceptación;
permite- medir con precisión tanto caudales pequeños como medianos y grandes para tal fin se construyen de diversos materiales. Soluciona el problema de azolvo muy comprometido y notorio en los vertedero, por mantenerse libre de obstrucciones El gasto no está influenciado por la velocidad de llegada. Las pérdidas de carga son insignificantes frente a otras estructuras medidoras. Su uso está recomendado tanto para el aforo de canales de riego de drenaje así como de ríos pequeños.
PARTES DEL MEDIDOR PARSHALL.siquient.es partea:
Básicamente consta
de las
1. Una sección de entrada formada por dos muros convergentes , sobre un piso horizontal a nivel, donde está ubicada la escala de medida Ha a 2/3 del punto final de la convergencia 2. Una garganta que es el elemento básico de medida y que puede tener diversas dimensiones al cuál se le asignado la letra w esta formado por dos muros verticales y paralelos sobre un piso inclinado hacia abajo con pendiente 2.67 que en conjunto se denomina cuello, es decir la garganta es la intersección de la entrada con el cuello, es en este sector donde la otra escala linnimetrica para medir el valor de Hb. 3. Una sección de salida está formado por dos muros divergente apoyados en un piso inclinado hacia arriba. Véase figura
AFORADOR PARSHALI
DIMENSIONES NORMALIZADAS DEL MEDIDOR PARSHALL Las medidas del medidor Parshall deben ser cuidadosamente respetados para poder utilizar las mismas tablas dadas por el autor pues de variar es necesario
efectuar ensayos de calibración para ajustar los coeficientes de medida y corrección. Para medir el caudal de los aforadores Parshall se toman las cargas agua antes (Ha) y después (Hb) de la garganta seguidamente se halla el grado de sumersión Hb/Ha cuando la carga Hb es considerablemente menor carga Ha. se dice que el medidor trabaja con descarga libre y el gasto es función solo de Ha; pero cuando Hb difiere poco, de Ha se dice que el medidor trabaja sumergido; en este caso el gasto es función de las dos cargas Ha y Hb, finalmente si estas cargas tienden a igualarse el medidor está ahogado, en este caso el medidor pierde toda exactitud no debiendo emplearse en estas condiciones. Los siguientes valores limites determinan el tipo escurrimiento o grado de sumersión (s). La relación Hb/Ha = s (grado de sumersión).
GRADOS DE SUMERSIÓN PARA AFORADOR PARSHALL Tamaño
descarga desc.sumergido Afor.ahogado
Garganta w
0.30m
libre s hasta 0.60
s
O.65 a 0.95
0.95
0.70 a 0.95
0.95
hasta 0.80. 0.80 a 0.95
0.95
w de 0.3 a 2.5 hasta 0.70 w de 2.5 a 15
s
DIMENSIONES NORMALIZADAS DE LOS APARATOS PARSHALL(cm) De 2.5 a 23 cm. - de .anchura de garganta. W A B C D E F G K N X Y
2.5 36 36 9 17 23 8 20 2 0.3 0.8 1
5.0 42 41 14 21 25 11 25 2 1.6 1.6 2.5
7.5 47 46 18 26 38 15 3 3 3 3 4
15.0 62 61 39 39 45 30 61 8 5 5 8
23.0 87 86 38 57 61 30 45 8 5 5 8
Cuando el aparato parshall trabaja libre aplicamos directamente la ecuación general:
=× =0.3812. =0.3723.281 .. = 2.293+0.0474.
Los valores de m y n varían según la magnitud de w así:
Para w = 0.15
Para w = 0.30 a 2.50 m
Para w = 2.50 a 15.00 m
Dónde: w y Ha en metros Q en:
Q en m3/seg. Cuando los medidores Parshall trabajan sumergidos, ecuaciones dadas calculan valores mayores que los reales, por tanto, es necesario determinar un factor de corrección "C" cuyo valor será sustraído de la ecuación de descarga libre, por tanto la ecuación general para aforadores Parshall sumergidos es:
=× ×
Los valores de C, han sido determinados en función a w, Ha y Hb luego varían para cada tamaño de aforadores, como consecuencia de muchos experimentos, se sugiere las siguientes ecuaciones: Para W = 0.15 m.
Para w = 0.30 a 2.50 m
. 0. 0 285 = +3.3.0505 ×1.44 − −0.87.90456 .
= 0.0746 [1.383.2.8 −2. 15 +0.098] .
Para w = 2.50 a 15.00 m
=69.671−0.71 .
Como quiere que el desarrollo de estas ecuaciones resulta un tanto complejo y engorroso, los estudiosos han desarrollo monogramas para el cálculo de Qs para cada valor W tal corno aparece en la figura siguiente
-
MONOGRAMA PARA DETERMINAR EL GASTO EN UN MEDIDOR PARSHALL DE 0.15 METROS
Ejemplo: Utilizando un medidor Parshall cuya garganta es de 0.15, se ha procedido a medir el caudal de un canal de riego habiéndose anotado una carga Ha. aguas arriba de 0.35 m. y una carga Hb aguas abajo de 0.20 m. ¿Cuál es el caudal? Ha
= 0.35 m.
Hb
=0 .20 m.
/
Hb/Ha = 0.20/0.35 = 0.57 (flujo libre) El valor del caudal está dado por:
=× . =0.3812× . =0.3812×0.35
=0.07257 =72.57 ./. = 0.0.234550 =0.70 =66 .
En el supuesto caso que Hb = 0.245 se tiene:
Siendo así se acude al monograma de figura anterior para medir directamente el caudal para un porcentaje de sumersión del 70%, obteniéndose un valor de:
OJO. - Este aforador tiene el grave inconveniente de no poder adaptarse a nuestras condiciones topográficas accidentadas. Como lo que es más insalvable aún, el hecho de tener que afrontar la gran dificultad de su construcción con los consiguientes problema de calibración y de poca adaptación a la forma de los canales de riego; razón por la cual su empleo se hace cada vez más restringido. TALUDES, ÁNGULOS DE REPOSO Y PESO DE MATERIALES SUELTOS
Naturaleza de las tierras Arena limpia
talud de Reposo 1.5 a 1
Ancho de reposo ( ɵ ) 33° 41'
Peso(w) kg/m 1440
Arena y arcilla Arcilla seca Arcilla húmeda, , plástica Grava limpia Grava y arcilla Grava, arenar arcilla
1.33 a 1 1.33 a 1 2 a 1 1. ,3 3 a 1 1.33 a 1 1.33 a 1 1.33 a 1
36° 36° 26°
1600 1600 1600 1600
36° 36° 36°
53' 53' 53'
1 .3 3 a
36°
53'
Roca descompuesta dura Cenizas bituminosas
1 a1 1 a1
4 5°
00'
1600
Cenizas de antrocita
1a1
4 5° 4 5°
00' 00r
1600 1600
Tierra Roca descompuesto blanda
36°
53" 53' 53' 53’
1600 1600 1600 1600
TABLA QUE DA LOS VALORES DE LA CQSSTASTE C PARA DIVERSOS VALORES DE TALUD Y ɵ para empujes de suelo. (Es)
VALORES DE TALUD, RELLENO
CALCULO DEL MURO DE EHCAUSAMIENTO.- Como se dijo anteriormente su objetivo es encausar el río y proteger los terrenos ribereños aguas arriba ele la captación y evitar desbordamientos como consecuencia de la instalación del barraje, los muros pueden ser concreto armado, presa de gravedad, y de tierra, etc. Para realizar el cálculo del muro de encausamiento se debe tomar en cuenta los siguientes parámetros: Empuje de tierras Empuje del agua (nivel máximo Y mínimo) Peso del muro Resistencia del suelo Así mismo buscar la estabilidad del muro realizando las verificaciones al volteo, deslizamiento, asentamiento y al tercio central.
PROBLEMA CALCULAR LA ESTABILIDAD DE UN MURO DE ESCAUSAMIENTO PARA LOS SIGUIENTES DATOS: Empuje del agua (Ea) = 4500 kg. punto de aplicación ya = 2.5 m. Empuje relleno (Er) = 5740 kg. punto de aplicación yr = 3.667m. peso muro (w) = 43 200 kg punto de o aplicación x = 1.19m, Resistencia del suelo 4kq/cm2 longitud de base muro (b) = 2.5m Ancho del barraje (a) = 12m.
Solución: a) Cálculo de la resultante (R) para w y Er.
= . ℎ= . × =0.49
Distancia c/r a A = 1.19 -0.49 = 0.70m. < (2.5/3 = 0.83m.) Se sale del tercio central porque debió ser > 0.83m. Lo que no afecta mucho a la estabilidad del muro Calculo de la excentricidad e = 1.25 – 0.70 = 0.55 m.
e = 0.55m Las presiones en la base serán:
= 1+ = 1+ = 4 / = 1− = 1− = −0.55 / 〖〗
Luego estamos dentro de los límites, ya que el terreno tiene carga de trabajo de 4 kg/ cm ^2 a sido mejorado con grava, y la pequeña tracción que se presenta, es absorbida por el concreto ciclope.
Calculo de la resultante con el peso del agua y el peso del muro.
= . ℎ= . × =0.26
Distancia c/r a A = 1.19 + 0.26 = 1.45m. Como 0.83 < 1.45 < 1.66 quiere decir que está dentro del tercio central por lo tanto se considera estable el muro de encausamiento. Calculo de la excentricidad e = 1.45 – 1.25 = 0.20 m. e = 0.55m. calculo de las presiones:
= 1+ = 1+
= 2.56 / = 1− = 1− = 0.90 /
Haciendo actuar al mismo tiempo el empujo de tierras y el empuje hidrostático mínimo, estos se contrarrestan, lo que hace que haya una menor excentricidad y por consiguiente las; presiones ejercidas en el terreno, sean menores por tanto no es necesario hacer el cálculo. Por estar el muro solidario con toda la estructura de la captación se rechaza hacer las pruebas de deslizamiento y volteo cuyas formulas solo se mencionara.
Coeficiente de seguridad al volteo (Cv)
Me = W . X
o de es t a bi l i d ad M e = moment momento de voleo Mv
W = peso de la presa más agua. X = distancia del punto de aplicación cíe W 1 al punto p. Mv = Ea.Y + S„.X2. Ea = empuje agua horizontal, Y = distancia vertical del agua c/r a p. Sp = empuje de subpresión . •. x2'= distancia horizontal de S p C/r a p. Si cv está entre 1.5 < c v < 3 Por consiguiente...rio se producirá volteo.
Coeficiente de seguridad al Deslizamiento (C d)
= (−)E +
W = peso de la presa más agua. Sp = fuerza de sibpresion.
f = coeficiente de fricción = 0.65 (para roca y concreto). q = 0.1 f´c (resistencia al corte con que se construye la presa) b = ancho total de la presa. L = 1m. Lineal de la presa. Ea = empuje horizontal total del agua. Si cd > 4 no se producirá deslizamiento.
