Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
DISE DISE O DE LA BOCAT BOCATOMA OMA LA LECH LECHE E - MOTUPE MOTUPE 1. Generalidades: La Boca Bocato toma ma a dis diseñar, ñar, es una una estruc tructtura ura hidr hidráu áuli lica ca des destina tinada da a capt captar ar las las agua guas de los los rí ríos os La Lecheche- y Motu otupe, pe, ubica bicad da en la conf conflu luen enci cia a de esto estoss y dest destin inad adas as para para irri irriga garr terr terren enos os de cult cultiv ivo o tant tanto o en la marg margen en dere derech cha, a, como como la marg margen en izqu izquie ierd rda, a, a trav través és de canales alimentadores. 2. Tipo de Bocatoma: El tipo de bocatoma que hemos considerado en muestro proyecto es de Barraje Mixto, el cual consta de: (a) Una presa presa derivad derivadora ora impermea impermeable ble (concre (concreto to ciclópeo) ciclópeo) (b) Un frente frente de regulació regulación n y limpia, perpen perpendicula dicularr al sentido sentido de la corrient corriente e (c) (c) Un fre frent nte e de cap capta taci ción ón 3. Ubicación: La captación se encuentra ubicada en el en la sección transversal 0+560, tal como lo muestra el plano topográfico, cons consid ider eran ando do que que esta esta es la mejo mejorr alte altern rnat ativ iva a para para evit evitar ar la una una gran gran sedi sedime ment ntac ació ión. n. Adem Además ás el barr barraj aje e se ubic ubica a perp perpen endi dicu cula larr a la dirección de las aguas del río. 4. Caudales de diseño: Qmax = Qmedio = Qminimo =
169.24 m³/s 11.00 m³/s 0.03 m³/s
Qdiseño = 75% Qmáx Qdiseño =
126.93 m³/s
5. Cálculo del Coeficiente de Rugosidad: 1.2.3.4.5.5.-
Valor basico basico de de rugosida rugosidad d por cantos cantos rodado rodadoss y arena arena gruesa gruesa Incremento Incremento por por el grado grado de Irregula Irregularidad ridad (poco (poco irregu irregular) lar) Incremento Incremento por el cambio de dimencio dimenciones nes ocasi ocasionale onaless Aumento Aumento por Obstrucci Obstrucciones ones por arrast arrastre re de raices Aume Aument nto o por Vege Vegeta taci cion on n=
0.028 0.005 0.005 0.000 0.008
0.046
6. Determinación de la Pendiente en el lugar de estudio: El calculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, esta pendiente está comprendida entre los tramos del kilometraje :
Km 0+1639.99 0+0.00
-1.9
Cota 140.08 141.98
-1639.99 Ancho de Plantilla (b) = Pendiente (S) =
78.00 m 0.0012
En función a la topografía dada y procurando que la longitud del barraje conserve las mismas condiciones naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su régimen.
7. Construcción de la Curva de Aforo: Para Para la cons constr truc ucció ción n de la Curva Curva de Afor Aforo o tene tenemo moss en cuen cuenta ta la secc seccio ion n trav traver ersa sall del del rí río o en el luga lugarr de empl emplaz azam amie ient nto o de la obra, para ello calculamos las áreas y perímetros mojados a diferentes elevaciones. Para diferentes niveles de agua en el río calculamos el caudal con la fórmula de Manning: Haciendo uso del Autocad determinamos las áreas y perímtros y por ende los Caudales. Caudales.
COTA m.s.n.m 140.00 141.00 142.00 143.00 144.00
Area Acumulada (m²) 45.51 104.79 173.25 246.31
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Perímetro
Radio R(2/3)
(m)
Hidraulico (m)
105.03 132.80 142.47 152.15
0.4333 0.7891 1.2160 1.6188
0.5726 0.8539 1.1393 1.3787
1/n
21.9780 21.9780 21.9780 21.9780
(1/2)
S
0.0340 0.0340 0.0340 0.0340
Q (m³/s) 0.00 19.4946 66.9393 147.6519 254.0331
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Curva de Aforo 144.5 254.03 143.5 ) . 142.80 msm m . n . 142.5 s . m ( a t o C 141.5
147.65
66.94
19.49 140.5 0.00 139.5 0
20
40
60
80
100
120
140 160 Q ( m³ / s )
180
200
220
240
260
280
300
Con el gráfico de Curva de Aforo obtenemos las cotas necesarias para el Diseño:
Qdiseño
Caudal (m³/s) 126.93
Cota (m.s.n.m) 142.80
8. Cotas y Altura del Barraje: 8.1. Calculo de la cota de Cresta del Aliviadero: 8.1.1. Cálculo de la Altura del Barraje P: Datos : Q= b= n= S=
126.93 m³/s 78.00 m 0.046 0.0012
Por tanteo :
Q Q.n S
1/2
1
n
. R 2 / 3 .S 1 / 2 . A
b.d (b.d) b 2d
d (m) 1.00 1.30 1.62
2/3
Q.n/S^0.5 169.6726 169.6726 169.6726
d(bd/(b+2d))^2/3 76.6945 118.1698 169.6300
169.67 169.67 = 169.63 169.63 P=
1.62 m
CFC : Cota de fondo de la razante CFR =
140.00 msnm
h sed: También llamado Altura del Umbral del vertedero de captación. Según el Ingº César Arturo Rosell C. este no debe ser menor de 0 .60., pero por consideraciones especiales,tomaremos 0.3m hsed =
0.30 m
141.62
P = 1.62 m 0.30 m
140.00
8.2. Longitud del barraje fijo y del barraje movil a. Dimensionamiento:
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a.1 Por relacion de areas El area hidraulica del del canal desarenador tiene tiene una relacione de 1/10 del area area obstruida por el aliviadero, teniendose teniendose : N de pilares=
A 1 = A 2 /10 …………(1)
donde:
4
A1 = Area del barraje movil A2 = Area del barraje fijo N de comp.=
P
A1
2.00
A2
Ld
78 - Ld A2 = P ( 78 - 2Ld )
A1 = P x Ld
P x Ld = Px (78 - 2Ld)/10
Remplazando estos valores, tenemos que: 1.62 x Ld = 1.62 x ( 78 - Ld )/10
Entonces :
Ld =
6.17 m
78 - Ld =
67.83 m
a.2 Longitud de compuerta compuerta del canal desarenador desarenador (Lcd) Lcd = Ld/2=
3.08 m
ARMCO MODELO MODELO 400 Se usara 2 Compuertas de:
(Ver Anexo de Libro Bocatomas Ingº Arbulú)
120 12 0 plg plg x 84 pl plg g
Lcd =
3.05 m
a.3 Predimensionamiento del espesor del Pilar (e) e = Lcd /4 =
0.76 m
Consideramos :
e=
0.80 m
b. Resumen: Resumen: Dimensione Dimensioness reales reales del canal canal de de limpia limpia y barraje barraje fijo. fijo.
68.7 m
8.3. Cálculo de la Carga Hidráulica: hv
H
he
hd h1= V1² / (2g)
P=
1.62 m d2 d1
Donde:
H: he: hv: P:
Carga de Diseño Altura de agua antes del remanso de depresión Carga de Velocidad Longitud de Paramento
Cuan Cuando do veng venga a la máxim máxima a aven avenid ida a o caud caudal al de dise diseño ño por por el rí ría a se abri abrirá rá tota totalm lmen ente te las las comp compue uert rtas as de li limp mpia ia divi dividi dién éndo dose se el caud caudal al en dos partes: lo que pasa por encima del aliviadero y lo que va por las compuertas de limpia, obteniéndose la siguiente igualdad:
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Q diseño max. = Qaliviadero + Qcanal.limpia
…………….(A)
a. Descarga en el Cimacio: La fórmula a utilizar para el cálculo de la carga del proyecto es:
Q c = C x L x H Qc: C: L: H e :
3/2
…………….(B)
Dercarga del Cimacio Coeficiente de Descarga Longitud Efectiva de la Cresta Carga sobre la cresta incluyendo h v
Si se hace uso de esta ecuación se debe tener en cuenta que la longitud del barraje disminuye debido a para la cresta de cimacio sin control. La longitud efectiva de la cresta (L) es:
L = Lr - 2 ( N x Kp + Ka) x H Donde:
L H Lr N Kp Ka
= = = = = =
…………….(C)
Longitud efectiva de la cresta Asumida Carga sobre la cresta . Longitud bruta de la cresta = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero = Coef. de contrac. de pilares (triangular) Coeficiente de contraccion de estribos
1.00 68.7 1.00 0.00 0.10
(Que es este valor) (Estribos redondeados)
"H" se calcula asumiendo un valo r , calcular el coeficiente de descarga "C" y calcular el caudal para el barraje fijo y movil. El caudal calculado debe ser igual al caudal de diseño. Reemplazando en la ecuación la Longitud efectiva para H asumido es: −
L = 68.50m
Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control: C = Co x K 1 x K2 x K3 x K4
…………….(D)
Los valores del 2º miembro nos permiten corregir a "C" sin considerar las pérdidas por rozamiento: En las Copias entregadas por el Profesor del curso, encontramos las definiciones y la forma de encontrar estos valores.
a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H =
1.62
(Fig. 3 de Copias)
3.94
Co =
(Fig. 4 de Copias. K 1 =C/C o )
b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H
he/H =
1.00
1.00
K 1 =
c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H =
1.62
(Fig. 5 de Copias. K 2 =C 1 /C v )
1.00
K 2 =
d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho =
(P+Ho)/Ho=
2.62
K 3 =
(Fig. 7- Copias. K 3 =C 0 /C)
1.00
e) Por efecto de sumergencia: Hd / he =
2/3 Ho/ Ho =
0.67
* Remplazamos en la ecuación (D):
No aparece en la gráfica (Fig. 8 de Copias. K 4 =C o /C)
K 4 =
1.00
C = 3.94m
* Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que: Qc = 269.91 m³/s
b. Descarga en canal de limpia (Qcl) Se considera que cada compuerta funciona como vertedero, cuya altura P= P = 0.00 Para ello seguiremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos
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las siguientes fórmulas:
Qd = C * L'' * hi 3/2
L = L 1 - 2 ( N * Kp + Ka) x h
Donde : L = Longitud efectiva de la cresta h = Carga sobre la cresta incluyendo hv L 1 = Longitud bruta del canal N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero Kp = Coef. de contrac. de pilares (triangular) Ka = Coeficiente de contraccion de estribos
2.62 m. 6.10 m. 0.00 0.00 0.10
(Estrivos redondeados)
L = 5.57m * Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control:
C= Co x K 1 x K 2 x K 3 x K 4
…………….(D)
a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/h =
(Fig. 3 de Copias)
0.000
3.10
Co =
b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H
he/h =
(Fig. 4 de Copias. K 1 =C/C o )
1.00
K 1 =
1.00
c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/h =
(Fig. 5 de Copias. K 2 =C 1 /C v )
1.00
K 2 =
0.000
d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho =
(P+ho)/ho=
K 3 =
1.00
(Fig. 7- Copias. K 3 =C 0 /C)
0.77 (Fig. 8 de Copias. K 4 =C o /C)
e) Por efecto de sumergencia: Hd / he = 2/3 ho/ ho =
K 4 =
0.67
* Remplazamos en la ecuación (D):
1.00
C = 2.39m
* Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que. Qcl = 56.40 m³/s
c. Descarga Máxima Total (Q T ): Qt = Q c + 2*Q cl Qd = 126.93 m³/s
Qt = 326.31 m³/s
Este valor no cumple con el caudal de diseño, tendremos que asumir otro valor de "H" Siguiendo este proceso de iteracion con el tanteo de "H" resultan los valores que aparecen en el cuadro de la siguiente. En este cuadro i terar hasta que Qt = 126.93 m³/s CUADRO PARA EL PROCESO ITERATIVO
Ho (m) 1.00 0.70 0.40
Co
K1
K2
K3
K4
L efect.
Qc - Qcl
3.94 3.10 3.93 3.10 3.91 3.10
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
1.00 0.77 1.00 0.77 1.00 0.77
1.00 0.77 1.00 0.77 1.00 0.77
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
68.50 5.57 68.56 5.63 68.62 5.69
269.91 56.40 157.81 36.58 67.88 30.04
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QT
326.31 194.39 97.92
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Q M vs Ho
1.2
1.0
326.31
0.8 194.39
) m0.6 ( Ho = 0.52 m o H
0.4
97.92
0.2 Qt = 126.93 m³/s
0.0 90
110
130
150
170
190
210
230
250
270
290
310
330
350
Q (m3/s)
Ho = 0.52 m
Ho vs Qc 300 269.91 250 200
) s / 3 m ( 150 c Q
157.81
100 67.88 50 0 0.0
0.5
(aliviadero) (canal de limpia)
1.0 Ho (m)
Para
1.5
Ho = 0.52 m Q cl (2 compuertas)=
2.0
Qc = 100 m³/s Qc = 27.06 m³/s
8.4. Cálculo de la Cresta del Cimacio:
141.62 m.s.n.m.
Xc
Ho = 0.52 m
Yc
R P = 1.62 m Ø
R 140.00 m.s.n.m.
La sección de la cresta de cimacio, cuya forma se aproxima a la superficie inferior de la lámina vertiente que sale por el vertedor en pared delgada, constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas, dependiendo de la carga y de la inclinación del paramento aguas arriba de la sección. Considerando a los ejes que pasan por encima de la cresta, la porción que queda aguas arriba del origen se define como una curva simple y una tangente o una curva circular compuesta; mientras la porción aguas abajo está definida por la siguiente relación: n
Y H o
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X H
Kx
o
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En las que "K" y "n" son constantes que se obtienen de la Figura 1 de la Separata dada en Clase. Determinación del caudal unitario: (q) q= Qc / Lc =
1.45
m 3 /s/m
V= q /(Ho+P)=
0.68
m/s
hv = V 2 /2g =
0.02
m
0.50
m
Velocidad de llegada (V):
Carga de Velocidad
Altura de agua antes del remanso de depreción (he): he = Ho - hv =
Determinación de "K" y "n" haciendo uso de la Fig. 1 y la relación hv/Ho: hv/Ho= Talud:
0.045 Vertical
K= n=
1.51 1.843
Valores para dibujar el perfil aguas abajo: Perfil Creager Según la f igura 2 de la Separata la Curva del Perfil Creager es hasta una distancia igual a 2.758Ho, des pués de este límite se mantiene recto hasta la siguiente curva al pie del talud (aguas abajo):
X (m) 0.000 0.100 0.300 0.500 0.700 0.900 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900 2.100 2.300 2.500
Y (m) 0.00 -0.04 -0.28 -0.73 -1.36 -2.16 -3.12 -4.25 -5.53 -6.97 -8.55 -10.29 -12.16 -14.18
1.43416
2.758 Ho=
PERFIL CREAGER 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0.00 -2.00 -4.00 -6.00 -8.00 -10.00 -12.00 -14.00
La porción del perfil que queda aguas arriba de la cresta se ha considerado como una curva circular compuesta. Los valores de R 1 , R 2 , X c , Y c se dan en la fig. 1.a de la separata: Con hv/Ho:
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0.045
i ngresamos a los nomogramas, de donde se obtiene:
X c /H o =
0.252
X c =
0.13 m
Y c /H o =
0.100
Y c =
0.05 m
R 1 /H o =
0.500
R1=
0.26 m
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R 2 /H o =
R2=
0.205
0.11 m
0.1534
Ubicación de los elementos para el dibujo de la curvatura aguas arriba: a
a a
R2 R2
d
R1
c b
R1-R2
Talud Vertical
8.5. Cálculo de los Tirantes Conjugados:
2
1
Dc = 0.60 m
hd h1
P = 1.62 m d2 d1
Lp
Aplicando la Ecuacion de Bernoulli entre los puntos 1 y 2: Tenemos:
z + dc + hvc = d1 + hv1 + Σhp
Σhp: pérdidas de energía (por lo general se desprecian, debido a su magnitud)
dc = (Q 2 /gB 2 ) 1/3
Determinación del tirante Crítico: dc= Cálculo de la Carga de Velocidad Crítica:
m
0.599 vc =√(g*dc)
Vc= hv c =
m/s m
2.425 0.300
Reemplazando obtenemos el d 1 : z + dc + h vc = d 1 + q 2 /(2*g*d 1 2 ) d1 + 2.52 = 0.11 / d 1 3 d 1 - 2.52 d1 2 + 0.11
Por uqe considera carga de velocidad en el pri
q = Q/B q=
1.45
d 1 =
0.2300
2
= 0
-0.01
= 0
Determinación del Tirante Conjugado 2: d 2
d 2
d 1 2
(
d 1 2 4
2v12 d 1
g
)
V 1 =
6.32
m/s
d 2 =
1.26
m
Determinación del Número de Froude:
F
v1 g * d 1
F= 4.21
Este valor vuela
Este es un resalto inestable. Cuyo oleaje producido se propaga hacia aguas abajo. Cuando se posible evitar este tipo de poza. Entonces podemos profundizar la poza en una profundidad =
1.80 m
z + dc + h vc + e = d 1 + q 2 /(2*g*d 1 2 )
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3
d1 2 +
d 1 - 4.32
d 2
d 1
0.11
(
2
d 1
=
2
d 1 =
0.1650
-0.005
V 1 =
8.81
m/s
hv 1 =
3.96
m
d 2 =
1.54
m
F=
6.92
2
2v1 d 1
g
4
)
v1
F
g * d 1
8.6. Cálculo del Radio de Curvatura al pie del Talud: Esta dado por la ecuación: R = 5d 1
R=
0.83 m
8.7. Longitud del estanque amortiguador o poza de disipación: a) Número de Froude: * Con el valor de F, se puede determinar el tipo de Estanque que tendrá la Bocatoma, el cual según la se parata será: 6.92 F=
V 1 =
TIPO II
8.81
* Ver la Figura 12 de la Separata para el cálculo de Lp
L/d 2 =
2.56
Lp=
3.931 m
Lp=
6.852 m
Lp=
6.855 m
b) Según Lindquist: Lp = 5(d2-d1) c) Según Safranez: Lp = 6xd 1 xV 1 √(g*d1)
d) Finalmente tomamos el valor promedio de todas las alternativas: Lp= Longitud promedio de la poza Lp=
5.879 m 6.00 m
8.8. Profundidad de la Cuenca: S = 1.25 d 1 =
0.206 m
8.9. Cálculo del Espesor del Enrocado:
e' 0.6 * q 1 / 2 ( H / g )1 / 4
H = ( P + Ho ) = q=
e= e=
2.22 m. 1.45
0.499 m 0.50 m
8.10. Cálculo de la Longitud del Enrocado: Según W. G. Bligh, la longitud del empedrado está dado por la sgte fórmula:
L c H * (0.642 q 0.612)
donde: H: carga de agua para máximas avenidas q: caudal unitario c: coeficiente de acuerdo al tipo de suelo
8.11. Longitud del Solado Delantero:
2.22 m. 1.45 9
Ls =
5Ho
Ls=
3.00 m
L e =
2.173 m
L e =
2.00 m
3.00 m
8.12. Espesor de la Poza Amortiguadora:
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La subpresión se hallará mediante la siguiente formula:
h Sp bc' h h' ( Lx ) L
donde:
b= c= h= h' = (h/L)Lx =
Peso especifico del agua kg/m3 1000 Ancho de la sección m. 1.00 Coeficiente de subpresión, varia ( 0 - 1 ) Para concreto sobre roca de mediana calidad 0.55 Carga efectiva que produce la filtración Profundidad de un punto cualquiera con respecto a A, donde se inicia la filtración. Carga perdida en un recorrido Lx
1.50 m
Mediante la subpresión en el punto "x", se hallará el espesor de la poza, asumimos espesor de: 141.62msnm
hv=
0.02 m.
he=
0.50 m.
0.25 (P+H) Ho = 0.52 m h = 2.59 m. 3.96 m.
1.25*(P+H)
2.14 m. P = 1.62 m.
d 2 = 1. 54 m .
138.70msnm 0.17 m.
e=0.30 0.7 m.
0.50 m
4.00
3.54 m. 3.00 m.
6.00 m 9.54 m.
2.00 m.
e=0.30
14.54 m.
* Predimensionado de los dentellados posteriores y delanteros:
0.80 m. 0.70 m. 1.70 m.
1.00 m.
1.00 m.
8.15 m.
1.00 m. 0.39 m.
Para condiciones de caudal máximo
O sea cuando hay agua en el colchón. h = d 1 +hv 1 -d 2 h=
2.59 m.
h/L =
0.126
L = h' =
20.44 m. 3.30 m.
Lx = Spx =
12.24 m. 2385.46 kg
e = (4/3) x (Spx e=
No satisface la exigencia por Subpresión. Aumentar espesor Para condiciones de agua a nivel de cimacio
O sea cuando no hay agua en el colchón h=
3.62 m.
h /L =
Spx =
0.18
e=
2614.70 kg 1.45 m.
No satisface la exigencia por Subpresión. Aumentar espesor Se observa que los valores calculados son menores que el asumido entonces se opta por el espesor asumido:
Volumen de filtración
Se calcula empleando la fórmula que expresa la ley de Darcy donde:
Q : gasto de filtración. K : coeficiente de permeabilidad para la cimentación. I : pendiente hidráulica A : área bruta de la cimentación a través del cual se produce la filtrac
Cálculo y chequeo del espesor del colchón amortiguador
Cálculo de la longitud necesaria de filtración (Ln) H = 2.92
Diseño de Obras Hidraulicas
(cota del barraje - cota a la salida de la poza)
Msc. Ing. José Arbulu Ramos
Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo
Escuela Profesional de Ingeniería Civil
Cbarraje: C=
9
m.s.n.m.
141.62
138.70 m.s.n.m.
Csalida:
(criterio de BLIGHT: grava y arena)
Ln = C*H
26.32 m.
Cálculo de la longitud compensada (Lc) longitud vertical Lv
Lv =
8.70 m.
de gráfico
longitud horizontal Lh
Lh =
12.54 m.
de gráfico
Lc =
21.24 m.
Lc = Lv + Lh
Como Ln > Lc, entoces se está posibilitando la tubificación, por lo tanto no haremos uso de lloradores. Verificación del espesor del colchón am ortiguador
Sp * c' h h'
cálculo de la subpresión
L = (L h /3)+L v
h L
L =
12.88 m.
h=
2.59 m.
h/L =
( Lx)
0.201
Cuadro de valores para la construcción del diagrama de presiones
Punto
Lx (m)
h' (m)
Sp (kg/m2)
(-Sp)
1
0.00
13.08
7264.66
-7264.66
2
0.30
1.00
620.66
-620.66
3
1.50
0.30
235.66
-235.66
4
3.00
4.30
2435.66
-2435.66
5
3.39
4.30
2435.66
-2435.66
6
3.79
3.30
1885.66
-1885.66
7
4.19
3.30
1885.66
-1885.66
Po
4.59
3.30
1885.66
-1885.66
8
4.99
3.30
1885.66
-1885.66
9
5.39
3.30
1885.66
-1885.66
10
5.79
3.30
1885.66
-1885.66
11
6.19
3.30
1885.66
-1885.66
12
6.59
3.30
1885.66
-1885.66
13
6.99
3.30
1885.66
-1885.66
14
7.39
3.30
1885.66
-1885.66
15
7.79
3.30
1885.66
-1885.66
16
8.19
3.30
1885.66
-1885.66
17
8.59
3.30
1885.66
-1885.66
18
8.99
3.30
1885.66
-1885.66
19
9.39
3.30
1885.66
-1885.66
20
9.79
3.30
1885.66
-1885.66
21
13.33
3.30
1885.66
-1885.66
22
14.33
3.30
1885.66
-1885.66
DIAGRAMA DE PRESIONES 0 -500
1
3
5
7
9
11
13
15
-1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -3500 -4000
p -4500 S -5000
X
Dimensionamiento de los Pilares: a) Punta o Tajamar: b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho):
Diseño de Obras Hidraulicas
Redondeada
2.14
2.40 m.
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Escuela Profesional de Ingeniería Civil
c) Longitud: Hasta la termi nación de la poza mínim o d) Espesor e:
10.24
=
0.00
Dimensionamiento de los Muros de encauzamiento: 24.54
a) Longitud:
26.00 m.
2.14
b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho):
2.40 m.
8.13. Diseño de las Ventanas de Captación: a) Cálculo de la Captación Margen Derecha: Por tanteos usando la fórmula de Manning −−−−− DATOS −−−−−
se calcula el tirante y se busca el valor mas aproximado
:Q=
5.620 m³/s
Ancho de Solera
:b=
3.00 m
Talud
:Z=
Rugosidad
:n=
Caudal
Pendiente
0.0150 0.0025
:S=
Tirante Normal
Area Hidraulica:
A=
Perimetro Mojado:
P=
2.4900 m
4.6600 m
R =
0.5343 m
2.4900 m²
v =
2.1949 m
4.6600 m
Q =
5.47 m
0.5343 m
R=
Espejo de Agua:
T=
3.0000 m
v=
2.2570 m/s 0.2596 m
Carga de Velocidad: hv = Energia Especifica:
1.090 m-Kg/Kg
E=
Numero de Froude:
0.8300 m
P =
Radio Hidraulico:
Velocidad:
y =
A = 0.8300 m
:Y=
Tirante que mas se aproxima
0.7910
F=
Calculo de borde Libre .
0.28
BL = Yn /3 =
Usaremos :
m.
BL =
0.30
Resultados:
B.L. 0.30 m. Yn 0.83 m. 3.00 m.
b) Díseño del Canal de Conducción: Por tanteos usando la fórmula de Manning −−−−− DATOS −−−−−
se calcula el tirante y se busca el valor mas aproximado
:Q=
5.620 m³/s
Ancho de Solera
:b=
1.50 m
Talud
:Z=
1.00
Rugosidad
:n=
0.0150
Caudal
Pendiente
Tirante Normal
Area Hidraulica: Perimetro Mojado:
:S=
:Y=
A= P=
0.0025 0.8500 m
2.5500 m
4.7000 m 0.5426 m
1.9975 m²
v =
2.2174 m
3.9042 m
Q =
5.65 m
0.5116 m
R= T=
3.2000 m
v=
2.8135 m/s
Diseño de Obras Hidraulicas
0.8500 m
A = P =
Espejo de Agua:
Carga de Velocidad: hv =
y =
R =
Radio Hidraulico:
Velocidad:
Tirante que mas se aproxima
0.4035 m
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Energia Especifica:
E=
Numero de Froude:
F=
BL = 0.30m
1.253 m-Kg/Kg 1.1370
Yn = 0.85 m³/s 1.50 m
Calculo de borde Libre . BL = Yn /3 =
0.28
Usaremos :
m. BL =
0.30 m.
c) Transicion que unira el canal de captacion y el canal de conduccion:
&
Qcaptación=
5.620 m³/s t
T
Lt Longitud de transicion. Para
Lt =
α
=
12.50 °.
(T - t) * Ctg 12.5°
Donde :
/ 2
T =
3.80 m.
t =
3.00 m.
Remplazando :
Lt
=
1.804
Asumimos :
Lt
=
2.00
m.
d) Diseño de las Ventanas de Captación: Consideraciones: * Las Dimensiones de las ventanas de capatación se calcularán para el caudal máximo a captar (derivar) y para la época de estiaje (carga hidráulica a la altura del barraje). * La elevación del fondo del canal respecto a la razante en el río no debe ser menor que 0.30m, dependien do de la clase de material en arrastre. * Para evitar que rocas de gran tamaño y cantidad de árboles que acarrea en épocas de crecidas ingresen a la captación, se propone la protección mediante un sistema de perfiles que irán fijos en un muro de concreto. * El eje de captación será perpendicular con el eje del río.
142.14msnm 141.6msnm
140.0msnm El cálculo hidráulico comprende en el dimensionamiento del orifi ción del gasto máximo de avenida. Ademas se diseñará la transición que une el c la toma con el canal de conducción * Diseñaremos las compuertas para un nivel de operación (cota ba * Se comprobará si el canal soportará conducir el caudal para máxi Determinación de las dimensiones y el número de compuertas.
Datos: Velocidad de predimensionado: 0.7 - 1.0 m/s asumiendo v= 1.00m/s escogiendo dimensiones de compuertas según manual de ARMC
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Escogemos:
Acomp. = Qdiseño = Adiseño = # comp. = para:
54 " x 54 " a= 1.37 m. b= 1.37 m. 1.88 m2. 5.62 m3/s. 5.62 m2 3.0 3 compuertas v = 1.00 m/s. O.K.
NMA = nivel operación = CFC = CFR =
142.14 141.45 140.30 140.00
m.s.n.m. m.s.n.m. m.s.n.m. m.s.n.m.
Verificación del funcionamiento
m.s.n.m.
NMA = nivel de operación = h
h1
Yn Y2
a
Y1 = Cc*a
Funciona como vertedero:
si h 1/a =< 1.4
Orificio
si h 1/a > 1.4 sumergido (Y2>Yn) libre (Y2
Formula a emplear:
Q = Cd * a * b * ( (2*g*h)^0.5
donde:
Cd : coeficiente de descarga a : altura de orificio de toma b : ancho del orificio de toma
Análisis para el Nivel de Operación Verificación del funcionamiento asumimos: a = 0.20 h1 = 1.15 m. Cv = Cv = Cd = Cd =
a
0.96 + (0.0979*a/h1) 0.98 Cv*Cc = Cv * 0.62 0.61
Cv
Cd
Cálculo del tirante Y1 Y1 = Cc * a Y1 = 0.124 m.
Y1
Cálculo de h h = h1 - Y1 h = 1.03m Cálculo del gasto que pasa por el orificio( 1 comp. ) Reemplazando en la formula: " x
h
"
Q = 0.75 m³/s Q = 0.75 m³/s
asumimos:
Q
m2.
Cálculo del tirante Y2: m2
Y2 = (-Y1 / 2) + ( ( 2 * Y1 * V1^2 / g )+ ( 0.25 * Y1^2 ) )^0.5 V1^2 = 2 * g * h V1^2 = 20.13 m/s. V1 = 4.49 Reemplazando: para:
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V1^2 V1 m.s.n.m.
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m.s.n.m.
Y2 = 0.65
Y2
m.s.n.m.
Cálculo del tirante normal en el canal de l a ventana Q Q*n/(s^0.5)
Q = 0.75 m3/s. s = 0.001 n = 0.015
Yn
Q*n/(s^0.5) = 0.356 Q*n/(s^0.5) = A*R^2/3 Aplicando maning e iterando calculamos Yn: Yn 0.400 0.420 0.555
A 0.000 0.000 0.000
P 0.800 0.840 1.110
R^2/3 0.000 0.000 0.000
como Y2 > Yn, entonces funciona como orificio sumergido Cálculo de longitud de contracción (Lcc) L1 = a / Cc = Lr = 5*(Y2-Y1) = Lcc = L1 + Lr = asumimos:
0.323 2.650 2.973
L1 Lr Lcc Lcc
Lcc = 3.00 m.
Cálculo del tirante normal Q= s= n= b= Q*n/(s^0.5) =
2.25 0.001 0.015 4.115 1.067
Q Q*n/(s^0.5) Yn
para el nivel de operación se tiene que dejar pasar por el canal el caudal de diseño. m.
Análisis para máximas avenidas Verificación del funcionamiento. a = 0.30 h1 = 1.84 m.
(asumido)
a
Cv = 0.96 + (0.0979*a/h1) m. Cv = 0.98 Cd = Cv*Cc = Cv * Cd = 0.62
0.62
Cálculo del tirante Y1
Y1 = Cc * a Y1 = 0.186 m.
Cálculo de h
h = h1 - Y1 h = 1.65 m.
Cálculo del gasto que pasa por el orifici o( 1 comp. )
asumimos:
Q = 1.45 m3/s. Q = 1.50 m3/s.
Q
Cálculo del tirante Y2: Y2 = (-Y1 / 2) + ( ( 2 * Y1 * V1^2 / g )+ ( 0.25 * V1^2 = 2 * g * h V1^2 = 32.45
Reemplazando:
Y2 = 1.02
Cálculo del tirante normal en el canal de l a ventana m3/s.
Q = 1.50 m3/s. s = 0.001 n = 0.015
Q*n/(s^0.5) = Q*n/(s^0.5) =
Yn
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Escuela Profesional de Ingeniería Civil
como Y2 > Yn, entonces funciona como orificio sumergido Cálculo de longitud de contracción (Lcc) L1 = a / Cc = Lr = 5*(Y2-Y1) = Lcc = L1 + Lr =
0.484 4.171 4.655 Lcc = 4.50 m.
asumimos:
Cálculo del tirante normal Q= s= n= b= Q*n/(s^0.5) =
4.50 0.001 0.015 1.372 2.135
2.232
Yn m.
En épocas de máximas avenidas teniendo las compuertas abier pasa un caudal de: 4.50 m3/s.
Cálculo de la abertura de l as compuertas para máximas avenidas. a = Q / ( Cd * b * ( ( 2gh )^0.5 )
abriendo toda
donde: Q= Cd = b= h=
0.75 0.62 1.37 1.65
reemplazando en la formula a = 0.155
Altura de la ventana de captación m.
tirante en máximas avenidas:
Yn = Y2 =
tirante en nivel de operaciones:
Yn = Y2 =
Adoptamos una altura de ventana de:
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0.90 m.
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Escuela Profesional de Ingeniería Civil
269.91 157.81 67.88
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mer miembro?
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/ 2400) 1.33 m.
Q = KIA
ión
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12.00 m.
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io y conducto de salida y determina nal de captación a la salida de
raje fijo) mas avenidas.
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)
0.35
0.99 0.61
0.22 m.
0.93 m.
1.26
m3/s.
18.31 4.28
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Escuela Profesional de Ingeniería Civil
0.80
1.26 0.598 0.555
A*R^2/3 0.000 0.000
0.000
0.56 2.90 3.47 3.30
1.07 0.506
0.4842
e captación
0.28
1.87
Y1^2 ) )^0.5
0.712 A*R^2/3
0.357
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as a
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0.30 m. de alto
s las compuertas de captación:
0.357 1.02 0.484 0.798
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ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIADERO DE DEMASÍAS ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA BOCATOMA 1. Datos generales: * Barraje a base de concreto ciclopeo, cuyo peso especifico es de (Pc) :
2.3
* Coeficiente de friccion entre suelo y el concreto según recomendaciones este valor esta entre 0.5 y 1, tomaremos : 0.80 usaremos canto rodado * Máximos esfuerzo unitario de corte V =
6.00
Kg/cm
* Capacidad de la carga de la arena
2.65 = en nuestro caso predominan las arenas limo-arcillosas
Kg/cm²
* Peso especifico del agua con sedimentos y elementos flotantes * Peso especifico del agua filtrada (Pf) =
1.00 Tn/m³
* Peso especifico del agua igual (Pa) =
1.45 Tn/m³
1.90
Tn/m³
1. Análisis cuando el nivel de agua es igual al nivel del cimacio: 0.70 m.
3.54 m.
Me
Xcg Sv
Ve
W
´
W
2.80 m.
Fh
Sh Cg
Yh Ycg
0.30 m. Ea
0.70 m.
H
Ya
1.50 m.
Sp Xsp
Fuerzas que intervienen Fh = Ea = W = W´ = Sp = Sh = Sv = Ve = Me =
Fuerza hidrostática Empuje activo del suelo en suelo friccionante Peso de la estructura Peso del agua Sub - Presion Componente horizontal de la fuerza sismica Componente vertical de la fuerza sismica Empuje del agua sobre la estructura ocacionado por aceleracion sismica y Momento Me. Es el momento que produce la fuerza Ve.
Tn/m³
a. Fuerza hidrostática (Fh).
1
5.68 Tn
=
Fh 1 * H 0.932 m 2
Punto de aplicación=
b.- Cálculo de la Subpresión (Sp):
1
5.94 Tn
2
1.41 m
C: Coeficiente que depende del tipo de suelo Para mayor seguridad su valor es 1.
Sp * H * L * 2 * C Punto de aplicación=
c.- Empuje Activo del Suelo (Ea):
1
2 11.19oTn
Ea * a * h * tg ( 45 2
2
1.14 m
Punto de aplicación=
) 2
Datos Asumidos para fines de Diseño: 2.00 Tn/m3 ha= hs+H hs= Altura equiv de Suelo hs= 2.72 m h= 3.42 m θ= 37.5
d.- Peso del Agua (W´):
* Tn1 W ´ Área *1.0m 2.84 0.35 m
Punto de aplicación=
d.- Peso de la Estructura (W): Se calculará integrando las áreas paralelas a las franjas verticales trapezoidales en que se ha dividido la estructura diferenciandola a los ejes x - y.
Pto C.M
Lt =
Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Total
4.24
Áreas
h
a
0.5528 0.6757 0.8762 0.7997 0.7872 0.7644 0.7336 0.6938 0.6668 0.5885 0.5253 0.4538 0.3778 0.3158 0.2712 0.2738 0.2134 0.1954 0.1836 0.2184
0.385 0.385 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 0.246
1.350 1.650 2 3.350 3.396 3.320 3.205 3.055 2.665 2.640 2.385 2.095 1.778 1.465 1.243 1.081 0.959 0.869 0.806 0.767 0.750
10.1672
1
b
3
1.350 1.650 4 5 3.430 3.430 3.396 3.320 3.205 3.055 2.665 2.640 2.385 2.095 1.778 1.465 1.243 1.081 0.959 0.869 0.806 0.767
X (m)
6
4.048 3.663 7 8 3.345 3.095 2.845 2.596 2.346 2.098 1.845 1.597 1.348 1.098 0.849 0.598 0.348 0.097 -0.153 -0.403 -0.654 -0.903
Y (m) 0.675 90.825 10 1.695 1.707 1.679 1.631 1.565 1.432 1.326 1.257 1.122 0.970 0.813 0.679 0.582 0.511 0.457 0.419 0.393 0.379
A*X
11
2.238 2.475 12 13 2.931 2.475 2.240 1.984 1.721 1.456 1.230 0.940 0.708 0.499 0.321 0.189 0.094 0.027 -0.033 -0.079 -0.120 -0.197
21.0981
A*Y
14
0.373 0.557 15 16 1.485 1.365 1.322 1.247 1.148 0.994 0.884 0.740 0.589 0.440 0.307 0.214 0.158 0.140 0.098 0.082 0.072 0.083
12.2988
17 18 19 20
Tn W ´ Área *1.0m23.38 * cto Xco= Yco=
Punto de aplicación=
2.075 m 1.210 m
e.- Componente Horizontal de Sismo (Sh): 2.34 Tn
Sh = 0.10 W =
f.- Componente Vertical de Sismo (Sv): 0.70 Tn
Sv = 0.03 W =
g.- Empuje del agua debido al S ismo (Ve):
Ve 0.726 Pe * y Pe: Aumento de presión del agua en lb/pie 2 a cualquier elevación debido a oscilaciones sísmicas y su valor se calcula por:
Pe C * * * h
Donde C es un coeficiente adimensional que da la distribución y magnitud de presiones
Cm y y y y C * *2 *2 h h h h λ : Intensidad del Sismo:2 Aceleración del Sismo/Aceleración de la gravedad γ : Peso específico del agua (lb/pie 2 )
h : Profundidad del agua (pies) Cm : Valor máximo de c para un talud constante dado. El Momento de vuelco es:
2
Me = 0.299 Pe * y
En la superficie de agua: En el fondo del aliviadero:
Me = 0 y= h= y/h=
2.8 m 2.8 m 1
C= l=
0.73 0.32
g= h=
90.48 9.18 m.
Para el Paramento Vertical:
(Ver figura 14 y 15) (Escala Mercalli Modificado) lb/pie pies
3
194.11 1294.27 4895.45
lb/pie lb/ pie lbs
2
1.93 2.22
Tn Tn -m
Reemplazando estos valores en la ecuaciones anteriores:
Pe = Ve = Me = Transformando unidades en un ancho de 1 m:
Ve = Me = Análisis de la Estructura: a) Ubicación de la Resultante: Tomando Momentos respecto a C.M (Ver Figura)
Fuerza 5.68 Tn Fh 11.19 Tn Ea 5.94 Tn Sp 2.34 Tn Sh 0.70 Tn Sv 1.93 Tn Ve 27.05 Tn W 3.69 Tn W´ 21.14 Tn S Fza H 24.10 Tn S Fza V X R =
Brazo
Momento
1.93 m 1.14 m 2.83 m 1.21 m 2.08 m 3.527 m 5.89 m
-10.99 -12.76 -16.78 -2.83 -1.46 -2.22 95.41 21.73
S Mts (-) S Mts (+)
-47.03 117.14
2.91 m
2 Excentricidad "e":
L
e e=
2
X R
-0.79 m
L
< 0.71 m
6
3.- Esfuerzos de Compresión en la base (s) Estos deben ser los permisibles para que la estructura no falle por aplastamiento.
Rv
6ss *==e 1
b * L
(1
2
L
-0.066
) 1.203
(no considerar)
Estos resultados son menores que la resistencia ofrecida por el terreno.
4.- Factor de Seguridad al Volteo: FS=
S Mts (+) S Mts (-)
FS=
2.49
> 1.50
> 1.5
5.- Factor de Seguridad al Deslizamiento: Fr = S Fx Tgf Donde Tg f = Fr =
0.4
9.64 Tn
(Según Tablas en Separatas)
<
21.14 Tn
Entonces se considera el Dentellón (elemento de concreto), como parte integrante del aliviadero formando una sola mole, con la finalidad de evitar el deslizamiento de la estructura, así como disminuir en cierto grado la magnitud de las filtraciones a través de la cimentación.