Bocatoma chimbote

“Año del Buen Servicio al Ciudadano ”.

INFORME

DISEÑO DE BOCATOMA

“

”

ALUMNO:

GARCIA DURAND, EDWIN DOCENTE:

Ing. SPARROW ALAMO, Edgar Gustavo.

ASIGNATURA: Obras hidráulicas. CICLO:

VI

NUEVO CHIMBOTE- PERÚ 2017

DEDICATORIA.

Le

dedicamos

primeramente

nuestro trabajo a Dios fue el creador de todas las cosas, cosas , el que nos ha dado fortaleza, paciencia e inteligencia para continuar cuando a punto de caer hemos estado; por ello, con toda la humildad

que

de

nuestro

corazón. De igual forma, a nuestros Padres, a quienes les debo toda mi vida, les agradezco

el

cariño

y

su

comprensión, a ustedes quienes han sabido formarnos con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual nos han ayudado a salir adelante buscando siempre el mejor camino. A nuestro docente, gracias por por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos transmite en el desarrollo del curso, por habernos guiado en clases y sus apropiadas explicaciones en la misma, durante el desarrollo del curso.

| Obras Hidráulicas.

DEDICATORIA.

Le

dedicamos

primeramente

nuestro trabajo a Dios fue el creador de todas las cosas, cosas , el que nos ha dado fortaleza, paciencia e inteligencia para continuar cuando a punto de caer hemos estado; por ello, con toda la humildad

que

de

nuestro

corazón. De igual forma, a nuestros Padres, a quienes les debo toda mi vida, les agradezco

el

cariño

y

su

comprensión, a ustedes quienes han sabido formarnos con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual nos han ayudado a salir adelante buscando siempre el mejor camino. A nuestro docente, gracias por por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos transmite en el desarrollo del curso, por habernos guiado en clases y sus apropiadas explicaciones en la misma, durante el desarrollo del curso.


Agradecimiento

En primer lugar a Dios quien nos brindó la fortaleza para seguir adelante; a nuestros padres quienes con su gran dosis de amor y sin pedir nunca nada a cambio, nos permitieron ser mejores personas cada día. A nuestro docente, quien por medio de sus conocimientos, orientaciones, paciencia y motivación, fue importante para seguir adelante en el desarrollo de este trabajo y poder culminarlo satisfactoriamente. Pero sobre todo le agradecemos infinitamente por reconocer nuestra constancia y convicción.

El grupo.


DISEÑO DE BOCATOMA.

ÍNDICE DEDICATORIA ............................................................................................. ii AGRADECIMIENTO......................... ............ .......................... ........................... ........................... .......................... .................... ....... iii ÍNDICE ......................................................................................................... iv INTRODUCCIÓN ......................................................................................... vi I. OBJETIVOS ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 07 1.1. Objetivo General......................... ............ .......................... .......................... .......................... ....................... .......... 07 1.2. Objetivos Específicos .......................... ............. .......................... .......................... .......................... ............... 07 II. DESARROLLO DEL TEMA CAPÍTULO I: BOCATOMA ........................... .............. .......................... .......................... .......................... ................ ... 08 1.1. Finalidad.......................... ............. .......................... ........................... ........................... .......................... .................... ....... 10 1.2. Partes de una bocatoma ......................... ............ .......................... ........................... ....................... ......... 10 1.3. Clasificación ........................... .............. .......................... .......................... .......................... .......................... ............... 11 1.3.1. Bocatomas directas .......................... ............ ........................... .......................... .................... ....... 11 1.3.2. Bocatomas con barrajes ......................... ............ .......................... .......................... ............... 11 1.4. Estudios en la ubicación ubicación de la bocatoma bocatoma ........................... ............. ....................... ......... 13 1.5. Problemas que que presentan presentan las bocatomas .......................... ............ ....................... ......... 16 1.6. Condiciones de diseño .......................... ............. .......................... .......................... ......................... ............ 18 1.7. Diseño de una bocatoma ........................... ............. ........................... .......................... .................... ....... 19 1.8. Funciones adicionales de una bocatoma ........................... ............. ....................... ......... 21


1.9. Diseño hidráulico ......................................................................... 22 1.10. Diseño estructural ....................................................................... 51 CAPÍTULO II: ALIVIADERO DE DEMASÍAS Y CANAL DE LIMPIA ...... 58 2.1. Criterios de diseño hidráulico de un aliviadero............ .................. 59 2.2. Análisis estructural del aliviadero .................................................. 61 2.3. Poza disipadora de energía .......................................................... 71 2.4. Canal de limpia ............................................................................. 73 III. CONCLUSIONES .................................................................................. 77 IV. RECOMENDACIONES. ......................................................................... 78 V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................... 79 VI. ANEXOS ................................................................................................ 80

INTRODUCCIÓN. | Obras Hidráulicas.

El primer punto de flujo de un sistema de agua está en la fuente, donde el agua se recolecta en una bocatoma y luego se canaliza dentro de la tubería. En este informe se explicará el diseño y las funciones de una bocatoma y de los desarenadores. Debido a la disparidad de una fuente, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente para cada sistema. Sin embargo, los trabajos de bocatoma tienen que incorporar características de diseños estándar que permitan un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y prevención de futura contaminación. Queda a criterio del diseñador el incorporarlas dentro de su plan para los trabajos de bocatoma. El supervisor de la construcción debe también estar alerta sobre estos principios de manera que pueda hacer modificaciones en el caso que se presenten problemas imprevistos. El propósito fundamental del trabajo de bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería. Si el agua está sucia, tendrá que dejársele asentar, relativamente quieta por un periodo de tiempo. El agua deberá estar protegida, lo más que sea posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y lugareños curiosos). El número de posibles formas de diseño de una bocatoma para una fuente es infinito, influenciado por factores tales como, material disponible, caudal de fuente, nivel de creciente, estabilidad del suelo, topografía de la zona, etc. este capítulo presentara varios diseños diferentes, todos los cuales se han usado con éxito en el pasado y por medio de los cuales el diseñador podrá modificar y desarrollar una bocatoma adecuada para su propio sistema. A través del presente informe, se busca brindar la información adecuada y entender todo lo relacionado a bocatomas y desarenadores, definiciones, tipos, criterios de diseño, etc., explicando tanto su diseño estructural como el hidráulico.


I.

OBJETIVOS.

2.1. OBJETIVO GENERAL: 

Nuestro principal objetivo es dar a conocer de forma práctica lo que abarca el funcionamiento y diseño hidráulico de una bocatoma, comprendiendo de esta forma la teoría y afianzando nuestros conocimientos previos.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 

Entender que son bocatomas, su funcionamiento, y según qué condiciones se utilizan estas estructuras hidráulicas.



Realizar el diseño hidráulico y estructural de una bocatoma.



Realizar el diseño estructural de un aliviadero.



Comprender cuáles son los criterios de diseño que se utilizan en las bocatomas.



Diferencias las clases y tipos de bocatomas, ya que se emplean diferentes según lo que se desea lograr.


BOCATOMA.


Son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir. El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Perú hay en operación un gran número de obras de toma para aprovechamiento hidráulico. El diseño de estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. Los problemas que se presentan en una bocatoma son mucho más difíciles cuando se capta agua desde un río que cuando se hace desde un cauce artificial (canal). Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el éxito de un proyecto. Si por una razón u otra se produce una falla importante en la obra de toma, esto significaría la posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de Aprovechamiento Hidráulico. En consecuencia, tanto el diseño como la construcción, la operación y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el m áximo de seguridad. El diseño de una obra de toma puede ser un problema muy difícil, en el que debe preverse la interacción estructura-naturaleza. La obra de toma, cualquiera que sea su tipo, es un elemento extraño en contacto con el agua. Es decir, que la estructura va a producir inevitablemente alteraciones en el medio natural circundante y, a la vez, la naturaleza va a reaccionar contra la obra. Esta interacción que se presenta al construir la obra, y en el futuro al operarla, debe ser prevista y contrarrestada oportuna y debidamente. La estabilidad y la vida de una bocatoma están asociadas al concepto de Avenida de Diseño. Tradicionalmente se ha usado el concepto de Avenida de Diseño para designar el máximo caudal del río que una bocatoma puede dejar pasar sin sufrir daños que la afecten estructuralmente.

1.1.

FINALIDAD.

La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras de toma. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de toma se | Obras Hidráulicas.

clasifican en función de las características del proyecto al que sirven. Es así como se tiene: a) Obras de toma para abastecimiento público b) Obras de toma para irrigación c) Obras de toma para centrales hidroeléctricas d) Obras de toma para industria y minería e) Obras de toma para otros propósitos f) Obras de toma para uso múltiple La clasificación anterior se refiere al uso predominante del agua. Si bien es cierto que hay bocatomas que tienen una finalidad específica, también lo es que casi siempre las bocatomas tienen, aunque sea en pequeña proporción, algún otro uso. En el Perú hay numerosas bocatomas para atender las finalidades antes señaladas.

1.2.

PARTES DE UNA BOCATOMA.

- Ventanas de captación con compuertas. - Canal de Limpia para evacuar sedimentos. - Barraje que puede ser fijo, móvil o mixto. - Trampas para material de fondo y rejillas para material flotante. - Disipadores de Energía en los cambios de régimen. - Aliviaderos de Demasías para evacuar los excedentes en la captación. - Muros de encauzamiento o muros de protección de la estructura. - canal de purga o limpia. - Enrocado para evitar la erosión aguas abajo. - Compuertas para operación de purga y captación.

1.3.

CLASIFICACIÓN. | Obras Hidráulicas.

Las podemos clasificar:

1.3.1. Bocatomas directas. Son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa, tienen el inconveniente de que el lecho del rio puede variar y dejar la toma sin agua , igualmente en las epocas de estiaje al disminuir el tirante de agua en el rio puede disminuir considerablemente el ingreso de agua en la toma.

1.3.2. Bocatomas con barrajes. Son las más empleadas ya que aseguran una alimentación mas regular, conservan un nivel constante en la captación que permite dominar una mayor área regable. Estas tomas pueden presentar tres variantes: La toma con barraje fijo, la toma con barraje móvil y la toma con barraje m ixto. 

Barrajes:Es una represa construida a través del río con el objeto de levantar el nivel de agua del mismo, su altura debe ser tal que permita una carga de agua suficiente en la toma, para el ingreso seguro del agua en esta, considerando las pérdidas de carga que se producen en los muros, rejillas y compuertas de sección en la toma.



Elementos principales del barraje: Los elementos son: la presa propiamente dicha, la poza de tranquilización o colchón de disipación, el Enrocamiento.



Diseño del barraje: Para el diseño del barraje se considera esta estructura como si fuera un vertedero de pared gruesa. El gasto sobre el barraje está dado por : Q



g * L * Y 3 / 2 c

Dónde: L=Longitud del barraje en metros. Yc=Tirante critico en metros. El perfil de la cresta del vertedero se ajusta al perfil que tendría la vena liquida al caer libremente. Utilizando la fórmula: y

x1.85 

0.85

2 * H d


Dónde: x e y = coordenadas referidas a la cresta. Hd = carga de diseño. 

Bocatomas de barraje fijo: Son aquellas que tienen una presa sólida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación. Esta solución es posible cuando el régimen del rio es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulación, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa también es aconsejable este tipo de bocatomas cuando el rio tiene un transporte de solidos o una capacidad de transporte apreciable.



Bocatomas de barraje móvil: En este tipo de barraje se consigue la retención del caudal y elevación del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contención. Es conveniente esta solución cuando el caudal de la captación es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio . Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas.



Bocatomas de barraje mixto: Tienen una parte de la presa integrada por una estructura sólida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje móvil). La parte móvil tiene en ciertos casos muros guías o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado también desempedradores. El desempedrador tiene una fuerte pendiente y al extremo del mismo se instalan compuertas para la eliminación de los materiales gruesos. Este tipo de bocatoma se adapta mejor al régimen variable de los ríos de la costa peruana, ya que en la época de estiaje trabajan únicamente con la regulación que se efectúa con el barraje m óvil, | Obras Hidráulicas.

mediante el cierre o la apertura de las compuertas mientras que en la época de crecidas trabajan con las compuertas de limpia abiertas y el paso libre del flujo encima del barraje fijo.

1.4.

ESTUDIOS EN LA UBICACIÓN DE LA BOCATOMA.

En la ubicación de la bocatoma se efectúan los trabajos siguientes: a) Topografía: En el eje de la presa derivadora se levantan planos, en escalas de 1:1000 a 1:2000 con equidistancia de curvas de nivel de 0.50 a 1mt. En un tramo de 500 a 1000 m hacia agua arriba y de 500 m hacia aguas abajo con el ancho que sobrepase los niveles de la traza de máximas avenidas.


b) Los estudios de transporte de solidos sólidos: son perjudiciales en las estructuras de un proyecto hidráulico dado, que producen erosión en los revestimientos de los canales o en otros casos reducción de la sección útil.

c) Estudios Hidrológicos: Se evalúa la estadística hidrológica siguiente: o

Caudales de avenidas máximas que permiten fijar los niveles máximos de los muros de encausamiento, de los barrajes y de los mecanismos de izaje de las compuertas.

o

Caudales mínimos que permitan fijar los niveles de los umbrales de las tomas.

o

Caudales medios con el objeto de conocer las masas de agua posibles de ser derivados al proyecto.


d) Estudios Geológicos y geotécnicos: Los estudios geológicos pueden comprender áreas extensas hacia aguas arriba, ubicando áreas inestables y fallas. Para determinar la estabilidad de las diferentes estructuras de la toma los estudios geotécnicos comprenden perforaciones diamantinas e investigaciones de mecánica de suelos. Se realizan las determinaciones siguientes:


o

Dibujo de la curva de gradación del material conformante del lecho del rio. Verificando el coeficiente de permeabilidad del lecho de cimentación.

1.5.

PROBLEMAS QUE PRESENTAN LAS BOCATOMAS.

En los grandes aprovechamientos hidráulicos el costo de l a bocatoma representa sólo un porcentaje muy pequeño del costo total del proyecto. La consecuencia práctica de este hecho es que no se debe escatimar esfuerzos ni tratar de

obtener una “estructura económica”, sino que se debe buscar el máximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un río transporta lo siguiente: a) Agua proveniente de la precipitación que ocurre en la cuenca b) Sólidos, también llamados sedimentos, provenientes de la erosión de la cuenca c) Hielo, en los lugares que existe. d) Cuerpos extraños como árboles, plantas, basura y desperdicios. Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un río. El transporte de cuerpos extraños constituye una función no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre nosotros. En general, el diseño y operación de una bocatoma en muchos de los ríos de la costa peruana presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias: a) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas b) Insuficiente información hidrológica c) Gran transporte sólido y de cuerpos extraños d) Aparición eventual del Fenómeno de El Niño (FEN).

Durante las grandes avenidas ocurre frecuentemente que los ríos se desbordan, hay cambios de recorrido, aparición de brazos y otras muestras de la inestabilidad fluvial propia de los ríos jóvenes. Ocurre algunas veces que al | Obras Hidráulicas.

producirse uno de los fenómenos señ alados la bocatoma se queda “en seco”, resulta burlada y, ciertamente, fuera de servicio aunque sin sufrir daños. En consecuencia, como parte del estudio de una bocatoma se suele hacer un cuidadoso estudio de hidráulica fluvial en el tramo comprometido. Otro de los problemas serios que se presenta frecuentemente en el diseño de una bocatoma se origina en la presencia de eventos hidrológicos extremos: a veces grandes avenidas y otras veces gran escasez de agua. Las grandes avenidas crean una serie de problemas hidráulicos y estructurales que deben ser debidamente evaluados. Algunas cuencas tienen fenómenos particulares que no pueden dejarse de lado. Un buen ejemplo de esto es la cuenca del río Santa donde la ocurrencia de aluviones y las especiales características de geodinámica externa de la cuenca determinan que una estructura construida sobre el lecho fluvial sea muy vulnerable a eventos cuya frecuencia y magnitud no pueden calcularse. En estos casos el evento más desfavorable para la bocatoma no es necesariamente la avenida calculada con un periodo de retorno grande. La escasez de agua también crea problemas, pues en esas oportunidades hay que captar gran parte, o la totalidad, del agua presente en el curso principal, lo que puede ser inconveniente. Por lo general los ríos transportan grandes cantidades de sólidos, sea como fondo o de suspensión. Durante las avenidas estas cantidades se incrementan enormemente y constituyen una serie dificultad para el diseño y operación de las bocatomas en las que se debe captar agua con la mínima cantidad posible de sólidos. Las bocatomas de la costa peruana han sufrido en mayor o menor grado el impacto del Fenómeno de El Niño. Algunas han sido destruidas, otras han sufrido fuertes daños y han salido de servicio, y, muchas de ellas, han necesitado importantes reparaciones.

El resultado de la falla de una bocatoma afecta todo el proyecto que depende de ella, con los consiguientes gastos de reconstrucción o rehabilitación de la estructura y los originados por la interrupción del servicio. Por lo tanto, la relación | Obras Hidráulicas.

entre el Fenómeno de El Niño y las bocatomas es un problema real de ingeniería civil que requiere de una atención especial. Luego del mayor conocimiento que en la actualidad tenemos acerca del FEN resulta evidente que sus efectos no pueden dejar de considerarse en el diseño de una obra de derivación importante.

1.6.

CONDICIONES DE DISEÑO.

Son varias las condiciones generales de diseño que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su tipo o características. Entre las principales están las siguientes: a) Asegurar la derivación permanente del caudal de diseño y de los caudales menores que sean requeridos. En algún caso se admite una interrupción temporal del servicio. b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseño, que tiene gran cantidad de sólidos y material flotante. En zonas sujetas al Fenómeno de El Niño es mejor utilizar un Hidrograma de Diseño. c) Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación. Muchas veces esta es la clave del diseño eficiente. d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista estructural y constructivo. e) Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentación. f) Tener un costo razonable.

1.7.

DISEÑO DE UNA BOCATOMA.

En el diseño de una obra de toma se requiere emplear al máximo los conocimientos del ingeniero civil. Las cinco fases correspondientes a una bocatoma son: | Obras Hidráulicas.

- Planeamiento. - Diseño. - Construcción. - Operación. - Mantenimiento. En ellas se requiere el uso de prácticamente todos los aspectos de la ingeniería civil, tal como se demostrará más adelante. Son varias las fuentes de conocimiento que tenemos para el diseño de una bocatoma. En primer lugar están las consideraciones teóricas presentadas en los libros de texto, artículos especializados y diferentes publicaciones e investigaciones. De todo este material se obtiene una base teórica fundamental, que debe ser complementada con los otros dos puntos que se señala a continuación. La investigación en modelos hidráulicos es una valiosa herramienta para el perfeccionamiento de los diseños y constituye la segunda fuente de conocimiento. En el Perú se vienen realizando estudios en modelo en el Laboratorio Nacional de Hidráulica desde 1964. La tercera fuente está dada por la experiencia y por la observación del funcionamiento de estructuras en operación en diversas partes y circunstancias. Dentro de esta fuente de conocimiento se encuentra el análisis de las fallas, el que constituye un método valiosísimo de aprendizaje. Son numerosos los aspectos de la ingeniería en general y de la ingeniería civil en particular que intervienen en el diseño de una obra de toma. Prácticamente debe emplearse a plenitud casi todas las especialidades de la ingeniería civil. Pero, además intervienen otros aspectos de la ingeniería.

Sin pretender que la relación sea limitativa se presenta a continuación una relación de los principales temas vinculados al diseño de una obra de toma. Ellos son: a) Estudio de la Demanda. b) Topografía. c) Meteorología. | Obras Hidráulicas.

d) Hidrología. e) Transporte de Sedimentos. f) Hidráulica Fluvial. g) Geología. h) Geodinámica. i) Geotecnia. j) Sismicidad. k) Materiales de Construcción. l) Diseño Hidráulico. m) Diseño Estructural. n) Diseño Electromecánico. o) Procedimientos de Construcción. p) Modelos Hidráulicos. q) Costos y Presupuestos. r) Análisis Económico y Financiero. s) Estudio de Impacto Ambiental.

1.8.

FUNCIONES ADICIONALES DE UNA BOCATOMA.

Las bocatomas tienen a veces funciones adicionales a la que les es propia. Ellas pueden ser: a) Reparto de Aguas. b) Medición de Caudales. c) Puente (Peatonal o Carretero).


d) Embalse para recreación (Natación, Pesca). e) Minicentral Hidroeléctrica.

R epres entaci ón esquemática del s is tema bocatoma – desarenador.

Di s pos ic ión típica de los principales elementos de una bocatoma de captación lateral.


Deformaciones del lecho fluvial.

1.9.



DISEÑO HIDRÁULICO. Tipo de Bocatoma:

El tipo de bocatoma que hemos considerado en muestro proyecto es de Barraje Mixto, el cual consta de: - Una presa derivadora impermeable (concreto ciclópeo). - Un frente de regulación y limpia, perpendicular al sentido de la corriente. - Un frente de captación. 

Caudales de diseño.

Qrio = 430.00 m³/s Qderivacion =

CAUDAL DEL RIO 8.55m³/s

CAUDAL DE DISEÑO DEL CANAL

De acuerdo a los datos que nos han dado se obtiene el siguiente: Qdiseño = 430.00 m³/s




Cálculo del Coeficiente de Rugosidad.

1.- Valor básico de rugosidad por cantos rodados y arena gruesa

0.028

2.- Incremento por el grado de Irregularidad (poco irregular)

0.005

3.- Incremento por el cambio de dimensiones ocasionales

--------

4.- Aumento por Obstrucciones por arrastre de raíces

0.000

5.- Aumento por Vegetación

0.005

n = 0.038



Determinación de la Pendiente en el lugar de estudio.

El cálculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, está pendiente está comprendida entre los tramos de un kilometraje.

-8 -1000.00

Ancho de Plantilla (b) = 160.00 m Pendiente (S)

= 0.008

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.



Cotas y Altura del Barraje. | Obras Hidráulicas.

1. Calculo de la cota de Cresta del Aliviadero: 1.1. Cálculo de la Altura del Barraje P: Datos: Q=

430.00 m³/s

b=

160.00 m

n=

0.038

S=

0.008

Por tanteo:

. =. . ⁄ +2 ⁄

 = 1 .⁄.⁄. 182.69

= 182.69

Interacción para altura de barraje:

 

..√ 

⁄ . .+

1.00

182,6868

158,6804

1.07

182,6868

177,5195

1.09

182,6868

182,6867

P=

1.10 m


h sedimento: También llamado Altura del Umbral del vertedero de captación. ho = 0.60 m Co= cota del lecho detrás del barraje vertedero. ho=

altura necesaria necesaria para evitar evitar el ingreso de material material de arrastre (se

recomienda ho ≥ 0.60 m). h= altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de derivación Qd (asumir (asumir que que funciona como vertedero)

0.20 sumando sumando de

seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de la formula, pudiendo ser mayor de ser posible.

2. Longitud del barraje barraje fijo y del barraje barraje móvil: a. Dimensionamiento: a.1 Por relación relación de de áreas: áreas: El área hidráulica del canal desarenador tiene una relacion de 1/10 del área obstruida por el el aliviadero, aliviadero, teniéndose: teniéndose: A1 = A2 /10 ………… (1) Donde: N de pilares = 3.00 A1 = Área del barraje móvil A2 = Área del barraje fijo


N de compuertas = 3.00

A1 = P x Lbm 

A2 = P (160 - 2Lbm)

Remplazando estos valores, tenemos que:

P x Lbm = Px (100 - 2Lbm)/10 1.1 x Lbm = 1.1 x (160 - Lbm)/10

A) LONGITUD DE BARRAJE MOVIL (Lbm): Lbm = 12.08 m

B) LONGITUD DE BARRAJE FIJO (Lbf): Entonces:

Lbf = 160 - Lbm = 147.92 m

C) LONGITUD DE COMPUERTA DEL CANAL DESARENADOR (Lcd) Lcd = Lbm/3 = 12.08/3= 4.03 m Se usara 3 Compuertas radiales de:

197 plg x

150 plg

Lcd = 5.00 m a.3 Pre dimensionamiento del espesor del Pilar (e): e = Lcd Lcd /4 =5.00/4 = 1.25 m Consideramos: Dimensión del barraje fijo:

e = 1.30 m Ltbf = 141.09 m

b. Resumen: | Obras Hidráulicas.

ESPESOR DEL PILAR

1.30 m

1.30 m

1.30 m

LONG. COMPUERTAS

5.00 m

5.00 m

5.00 m

LONGUITUD DEL BARRAJE MOVIL LONGITUD DEL BARRAJE FIJO

18.90 m 141.09 m

3. Cálculo de la Carga Hidráulica:

Donde: H: Carga de Diseño he : Altura de agua antes del remanso de depresión hv: Carga de Velocidad P: Altura de barraje

Q diseño = Qc + Qcl

……………. (A)

a. Descarga en el Cimacio en el barraje fijo (Qc)


La fórmula a utilizar para el cálculo de la carga del proyecto es:

Qc = C x L x H3/2



……………. (B)

Qc:

Descarga del Cimacio

C:

Coeficiente de Descarga

L:

Longitud Efectiva de la Cresta

He:

Carga sobre la cresta incluyendo hv

La longitud efectiva de la cresta (L) es:

L = Lr - 2 ( N x Kp + Ka) x H

…………….(C)

Dónde: L

= Longitud efectiva de la cresta

H = Carga sobre la cresta. “Asumida” Lr = Longitud bruta de la cresta

=

1.00

= 141.09 LONGITUD DE BARRAJE FIJO

N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero =

1.00

Kp = Coef. de contrac. de pilares

0.00 VER TABLA 1

Ka = Coeficiente de contracción de estribos

0.10 VER TABLA 2

"H" se calcula asumiendo un valor, calcular el coeficiente de descarga "C" y calcular el caudal caudal para el barraje fijo y móvil. móvil. El caudal calculado debe ser igual al caudal de diseño.




Reemplazando en la ecuación la Longitud efectiva para H asumido es:

L = Lr - 2 ( N x Kp + Ka) x H L = 141.09-2(1*0+0.10)*1 = 140.89m

Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin

C = Co x K1 x K2 x K3 x K4

control:

…………….(D)

Los valores del 2º miembro nos permiten corregir a "C" sin considerar las pérdidas por rozamiento: En los gráficos, encontramos las definiciones y la forma de encontrar estos valores. a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H =1.10

Co =3.9

VER ABACO N° 01 b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto he = H he/H = 1.00 K1 = 1.00 VER ABACO N°02

c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H =1.10 K2 =1.00 VER ABACO N°03

d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd+d)/Ho

= (P +Ho)/ Ho= 2.10

K3 = 1.00 VER ABACO N°04

e) Por efecto de sumergencia: Hd / he =2/3 Ho/ Ho =

0.67 K4 = 0.97 VER ABACO N°06

Remplazamos en la ecuación (D):


C =Co x K1 x K2 x K3 x K4 C = 3.78m Remplazando en la fórmula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo)



tenemos que:

Qc=C∗L∗H⁄ Qc = 3.78 * 80.89 * 1⁄ = 532.98 m³/s b. Descarga en canal de limpia o barraje móvil (Qcl): Se considera que cada compuerta funciona como vertedero, cuya altura P=1.10

Para ello seguiremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos las siguientes fórmulas:

Qcl = C * L'' *

hi⁄

L = L1 - 2 (N * Kp + Ka) x h

Dónde:

L =

Longitud efectiva de la cresta

h =

Carga sobre la cresta incluyendo hv

L1 =

2.10

Longitud bruta del canal 15.01 m. COMPUERTAS LONG. TOTAL

N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero Kp = Coef. de contrac. de pilares (triangular)

0.00

1 Ka = Coeficiente de contracción de estribos

0.10

0.00 VER TABLA VER TABLA 2

L = 14.59m


Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control: C=

……………. (D)

Co x K1 x K2 x K3 x K4

a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H

= 1.10/2.10 = 0.524

Co = 3.10

VER ABACO N° 01

b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H

-> he/H = 1.00

K1 = 1.00

VER ABACO N°02

c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H = 1.10/2.10 = 0.524

K2 = 1.00

VER ABACO N°03

d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho = (P + Ho)/Ho = 1.52


e) Por efecto de sumergencia: Hd / he = 2/3 *Ho/ Ho = 0.67


*Remplazamos en la ecuación (D):

C = 2.93m

*Remplazando en la fórmula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que:

⁄  Qcl = 2.93∗14.59∗2.10⁄ =130.30 m s Qcl = C * L'' *

c. Descarga Máxima Total (Qt): Qt = Q c + Q cl Qt = 532.98+130.3 = 663.25 m³/s

;

Qd = 430.00 m³/s


Este valor no cumple con el caudal de diseño, tendremos que asumir otro valor de "H" Siguiendo este proceso de iteración con el tanteo de "H" resultan los valores que aparecen en el cuadro de la siguiente. En este cuadro itera hasta que

Qt

= 430.00 m³/s

CUADRO PARA EL PROCESO ITERATIVO

Entonces mediante este gráfico interativo determinamos la carga de diseño :

Ho=0.50m

Para:


Aliviadero:

Ho = 0.50 m

-- >

Canal de limpia:

Q cl (2 compuertas)=

Qc = 200 m³/s

Q cl= 230.00 m³/s

8.4. Cálculo de la Cresta del Cimacio

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 se define como una curva simple y una tangente o una curva circular compuesta; mientras la porción aguas abajo origen está definida por la siguiente relación:

Y =Kx X n H H En las que "K" y "n" son constantes que se obtienen de la Figura 1.



Determinación del caudal unitario: (q) | Obras Hidráulicas.

q= Qc / Ltbf =



1.42 m3/s/m

Velocidad de llegada (V): V= q /(Ho+P)= 0.89 m/s



Carga de Velocidad: hv = V2/2g = 0.04 m



Altura de agua antes del remanso de depresión (he): he = Ho - hv =



Determinación de "K" y "n" haciendo uso de la Fig. 1 y la relación hv/Ho: hv/Ho

= 0.08

Talud: Vertical



0.5-0.04 = 0.46m

K=

0.51

VER ABACO Nº08

n=

1.832

VER ABACO Nº07

Valores para dibujar el perfil aguas abajo: Perfil Creager

Según la figura de la Separata la Curva del Perfil Creager es hasta una distancia igual a 2.758Ho, después de este límite se mantiene recto hasta la siguiente curva al pie del talud (aguas abajo): 2.758 Ho=

1.379


La porción del perfil que queda aguas arriba de la cresta se ha considerado como una curva circular compuesta. Los valores de R1, R2, Xc, Yc se dan en la fig. 1.c de la separata: Con hv/Ho: 0.080 ingresamos a los nomogramas, de donde se obtiene: Xc/Ho=

0.252

VER ABACO Nº09

Xc=

0.13 m

Yc/Ho=

0.600

Yc=

0.30 m

R1/Ho=

0.500

R1=

0.25 m

R2/Ho=

0.280

R2=

0.14 m

R1- R2 = 0.11




Ubicación de los elementos para el dibujo de la curvatura aguas arriba:

8.5. Cálculo de los Tirantes Conjugados

Aplicando la Ecuación 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)



Determinación del tirante Crítico:

 ⁄  dc=∗  = 

0.589 m

Vc =  g∗dc  .   −→ hvc= ∗.8 = 0.295 m

Cálculo de la Carga de Velocidad Crítica:

Vc =  g∗dc = 

dc = Q/gLtbf ⁄

2.405 m/s

Reemplazando obtenemos el tirante conjugado d1:

z+dc+hvc=d +q2∗g∗d | Obras Hidráulicas.

−→ q = 1.42 −→ d − 1.98d +0.10=0 1.98 = d + 0.17/ d Determinación del Tirante Conjugado 2 : −→ v =1.42 /0.27 = 5.25m/s d = −  +   +  −− > d =1.1 m q = Q/Ltbf =430/141.09

 =0.27 m

→





Determinación del Número de Froude:

 =3.23 F =  gv∗d  Este es un resalto inestable. Cuyo oleaje producido se propaga hacia aguas abajo. Entonces podemos profundizar la poza en una profundidad =1.80 m

z+dc+hvc=d +q2∗g∗d d − 3.78 d +0.10=0 −− > d1= -0.044 m V1=

7.00m/s

hv1= 2.50 m

d=

1.32 m

F=

4.97

8.6. Cálculo del Radio de Curvatura al pie del Talud: Esta dado por la ecuación: R = 5d1

R= 1.01 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 separa F será: F=

d

L/  = 6.00

4.97

−→

V1=

7.00

Lp= 7.948 m

3.34

b) Según Schoklitsch: Lp = (5 a 6 )x(d2-d1) c) Según Safranez:

Lp = 6xd1xV1

Lp= 5.611 m Lp=6.035m

3.32 3.33

√(g*d1) d) Finalmente tomamos el valor promedio de todas las alternativas: Lp = 6.531 m Longitud promedio de la poza

Lp = 6.50 m

8.8. Profundidad de la Cuenca: S = 1.25

d = 0.253 m

8.9. Cálculo del Espesor del Enrocado:

H = ( P + Ho ) = q=

1.42

1.69 m.

e= 0.460 m

−→

e=

0.50 m


8.10. Cálculo de la Longitud del Enrocado: Según W. G. Bligh, la longitud del empedrado está dada por la sgte fórmula:

L = c√ H∗(0.642 q−0.612)

Dónde: H: carga de agua para máximas avenidas

1.69 m.

q: caudal unitario

1.42

c: coeficiente de acuerdo al tipo de suelo L =

1.782 m

L =

2.00 m

9.00 VER TABLA 03

(Redondeo a la unidad)

8.11. Longitud del Solado Delantero: Ls =

5*0.70

Ls=

2.95 m => 2.90 m

Ls = 5dc

Redondeo a la unidad

8.12. Espesor de la Poza Amortiguadora: La subpresión se hallará mediante la siguiente formula:

Sp=γbc∗[h+h′ − hL Lx] Dónde: | Obras Hidráulicas.

Peso específico del agua

1000

b =Ancho de la sección

1.00 m.

c =Coeficiente de subpresión, varia (0 - 1) ->

kg/m3

0.55 Para concreto sobre roca

de mediana calidad. h = Carga efectiva que produce la filtración h' = Profundidad de un punto cualquiera con respecto a A, donde se inicia la filtración. (h/L)Lx = Carga perdida en un recorrido Lx

Mediante la subpresión en el punto "x", se hallará el espesor de la poza, asumimos espesor de:

1.65 m

Predimensionado de los dentellados posteriores y delanteros:



Para condiciones cuando no hay agua en el colchón:


h =2.24 m.

Spx =

2418.99 kg

h /L =0.11

e=

1.34 m.

Para esta condición el espesor asumido satisface los esfuerzos de Subpresión.

Se observa que los valores calculados son menores que el asumido entonces se opta por el espesor asumido:



Cálculo y chequeo del espesor del colchón amortiguador:

Cálculo de la longitud necesaria de filtración (Ln) H=

1.54 (cota del barraje - cota a la salida de la poza)

Cbarraje:

120.10msnm

Csalida:

118.56msnm

C=

(criterio de BLIGHT:TABLA 3)

9

Ln = C*H



=13.86 m.

Dimensionamiento de los Pilares:

a)

Punta o Tajamar:

b)

Altura Ht= 1.25 (P+Ho):

c)

Longitud: Hasta la terminación de la poza mínimo

d)

Espesor e:

Redondeada 1.60 => 1.60 m. = 10.10 → 10.00 m. 1.30




Dimensionamiento de los Muros de encauzamiento:

a)

Longitud:

24.40 => 24.00

m.

b)

Altura Ht= 1.25 (P+Ho):

1.60 => 1.60

m.

TABLA Nº 01:

Forma Pilares

Kp

de cuadrado

0.02

de redondo

0.01

de triangular

0

tajamar Pilares tajamar Pilares tajamar

TABLA Nº 02: Forma

Ka

Estribos cuadrados con los 0.2 muros de cabeza a 90° con la dirección de la corriente

Estribos redondeados con 0.1 muros de cabeza a 90° con la dirección de la corriente, | Obras Hidráulicas.

cuando 0.5Ho >= r >= 0.15Ho Estribos redondeados r> 0 0.5Ho y el muro de cabeza 90° está colocado no más de 45° con la dirección de la corriente.

TABLA N°03:


COEFICIENTE DE " C" LECHO DEL CAUCE

BLIGH LANE

Arena fina y/o limo

18

8.5

Arena fina

15

7

Arena tamaño medio

-

6

Arena gruesa

12

5

Grava fina

-

4

Grava media

-

3.5

Gravas y arenas

9

3.5

Grava gruesa

-

3

Boloneria con grava

-

2.5

Boloneria, Gravas y arena

4

6

2.5

Arcilla plastica

6

7

3

Arcilla de consistencia media

6

7

2

Arcilla dura

6

7

1.8

Arcilla muy dur

6

7

1.6

TABLA N°04:


CONDICIONES DEL CANAL Tierra

Material considerado Roca cortada (no)

Grado

Variaciones

de

0.025

Grava fina

0.024

Grava gruesa

0.028

Liso

0.000

de Menor

irregularidad (n1)

0.020

0.028

0.005

Moderado

0.010

Severo

0.020

Gradual

0.000

0.010

0.000

la Ocasionalmente

sección transversal del canal Alternamente

0.005

(n2) Frecuentemente 0.010

-

0.015

Efectivo relativo de

Despreciable

0.000

Menor

0.010

0.000 -

0.015

obstrucciones (n3)

Apreciable

0.020

-

0.030 Severo

0.040

-

0.060


Baja

0.005

-

0.010

Cantidad

Menor

1.000

de Apreciable

1.150

Severa

1.300

meandros (n5)

n rio =

n0+n1+n2+n3+n4+n5

0.038

TABLA Nº 05:


ABACO N° 01:

ABACO N°02:

ABACO N°03: | Obras Hidráulicas.

ABACO Nª05:

ABACO Nª06:


ABACO Nª07:

ABACO Nº 08:


ABACO Nº 09:



ABACO Nº10:

1.10. DISEÑO ESTRUCTURAL. Fuerzas que intervienen: Fh

Fuerza Irostática.

Ea

Empuje activo del suelo en suelo friccionante.

Wa

Peso de la estructura.

Sp

Sub – Presión.

Sh

Componente horizontal de la fuerza

Sv

Componente vertical de la fuerza

Ve

sísmica.

sísmica.

Empuje del agua sobre la estructura ocasionado por aceleración

sísmica. Me

Es el momento producido por esta fuerza.


a.) Fuerza hidrostática (Fh). Fh

= 0.5 * Pa * H²

H

1.7301 m

Pa = 1.45 Tn/m³ Se tiene que considerar un 30% de relación de vacíos en los gaviones Fh = 1.5190724 Tn Vh = P /3 = 0.5767 Tn

b.) Empuje activo del suelo (Ea). Ea = 0.5 (P1 + P2) * H2 P1 = ( Pg * H1) + (Pa * H) P2 = (Pf * H2) + (P' * Ka * H2) + P1 Dónde: Pf P'

= =

1000 Kg/m³ Peso específico del suelo sumergido => P' = (Ps - 1) = 1 Tn/m³

H2

=

Espesor del suelo 0.7 m

∅

=

Angulo de fricción interna según tabla = 30°

Ps

=

Según tabla 2 Tn/m³

Pa

=

1.45 Tn/m³

Ka

=

[Tag (45 - /2) 0.3333333

Pg

=

H

=

∅

Peso específico del gavio = 1800 Kg/m³ Espesor solado delantero = 0.3


Remplazando tenemos: P1

=

3.048645 Tn/m²

P2

=

0.936382 Tn/m²

Ea

=

0.9763316 Tn/m

Ya = H2 (2P1 + P2) / [ 3(P1 + P2) ] Ya =

0.4118392 m.

c.) Empuje del solado delantero (Ec). Ec = 0.5*(P + P1)* H1 Dónde: P Pa * H Ec

=

=



2.508645 Tn/m². Entonces: 0.8335935

Calculo del centro de gravedad de la estructura: Yc

=

(2*H2 + H1) / 2

=

0.85

m

d.) Peralte del peso de la estructura (W). El peso de la estructura, viene hacer el peso de cada uno de los gaviones que están formando parte del barraje. El con las medidas de cada uno de los gaviones calculamos su

C.G.


N°

ancho

Alto (m)

Área (m²)

x (m)

y (m)

Ax

Ay

1 2 3 4 5 Totales

1.18 2.36 3.54 1 1.18

1.7 1 1 2.36 1

2.006 2.36 3.54 2.36 1.18 11.446

1 1.5 2.5 2 2.5 9.5

3.5 2.5 1.5 0.5 0.5 8.5

2.006 3.54 8.85 4.72 2.95 22.066

7.021 5.9 5.31 1.18 0.59 20.001

X=

2.3227

M

Y=

0.425

M

20.603

Tn

Peso de la estructura : W =

e.) Sub presión (Sp). Sp =

c * Pa * H * L / 2

Donde: c =

0.5 fines de diseño

L =

3.54 Sp Xsp =

=

1.0718 Tn/m

L/3 =

1.18 m

f.) Sismo. Componente horizontal del sismo: Sh

= 0.1 * W

2.0603 Tn

Componente Vertical del sismo: | Obras Hidráulicas.

Sv

=

0.03 * W 0.6181 Tn

Estas fuerzas actúan en el centro de gravedad de la estructura.

g.) Empuje del agua debido a la aceleración sísmica. La fuerza sísmica en el agua y que se reparte en la estructura está dada por la siguiente formula: Ve =

0.726 * Pe * y

Donde: Aumento de presión de agua en Lb/ pie² a cualquier elevación debido a las oscilaciones sísmicas y se calcula por la siguiente formula:

Pe = c * i * Pa * h C

=

Coeficiente de distribución de presiones.

C

= Cm * [ y (2 - y/h) + ( v * (2 - y/h) / h )^0.5 ] / 2 y

=

Distancia

vertical de la superficie del vaso a la elevación en pies. Cm =

Valor máximo de C para un talud constante.

Remplazando :

El momento de volteo será de:

Pe =

119.94 lb/ pie

Ve =

494.14243 lb / pie

Me = 0.29 * Pe * y² Me =

1120.1046 lb - pie


En unidades métricas seria: Ve = 0.7351729 Tn/m Me = 0.5079382 Tn – m



Esfuerzos admisibles:

Acero de refuerzo: Los esfuerzos admisibles en el acero serán de 0.4 fy = 1680 kg/cm2. Para

el

análisis de los elementos en casos de esfuerzos extraordinarios como eventos sísmicos de poca duración, el esfuerzo admisible podrá ser incrementado en un 33.33%.

Esfuerzo de tracción por flexión:

0.595

Esfuerzo de corte concreto simple:

0.53

Esfuerzo de corte asumido por el concreto:

0.27

√ f’c √ f’c √ f’c

Máximo Esfuerzo de corte asumido por el concreto y el acero: 1.18

√ f’c

Se empleará concreto de f´c=210kg/cm2, por lo que:

Recubrimiento de la Armadura: El recubrimiento mínimo de la armadura es el siguiente: Estructuras expuestas al relleno

:

4.0 cm.

Estructuras expuestas al agua calmada (V<5 m/seg)

:

5.0 cm. | Obras Hidráulicas.

Estructuras expuestas al agua (5 m/seg
:

7.5 cm.

Anclajes y Empalmes del Refuerzo:

Las longitudes de anclajes y empalmes serán las siguientes:

Barra

Anclaje

Empalme

3/8"

30 cm

40 cm

1/2"

30 cm

45 cm

5/8"

40 cm

55 cm

3/4"

50 cm

65 cm

1"

90 cm

115 cm

1 3/8"

170 cm

220 cm



ALIVIADERO DE DEMASÍAS Y CANAL DE LIMPIA. Los aliviaderos son estructuras de regulación y de protección que sirven para evacuar caudales de demasías o caudales superiores a los del diseño. Si estas aguas excedentes ingresarán a las diferentes obras que componen el sistema, podrían ocasionar daños de imprevisibles consecuencias. El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas. Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)

2.1.

CRITERIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO.

i. El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida. ii. El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal. iii. La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn. iv. Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de formulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner.


Donde: V = 0.95

μ = coeficiente de contracción L = longitud del vertedero h = carga promedio encima de la cresta

El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:

El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:

v. Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.


vi. El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d. vii. Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

2.2.

ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIADERO. Modelo del Muro para Aliviadero:


Datos generales: Relleno: Peso volumétrico Angulo de Fricción

: :

δ (tn/m3) ф

1.0 0.0

Peso volumétrico Angulo de Fricción Altura total Enterramiento Angulo Pendiente Sobrecarga Capacidad Portante

: : : : : : :

δn (tn/m3) фn H (m) hp (m) β q (tn/m2) σs (tn/m2)

2.0 32.0 6.0 1.2 0.0 1.0 1.6

: :

f'c (tn/m2) fy (tn/m2)

Suelo Natural:

Muro de Contención: Concreto Acero

2100.0 42000.0

Condición de Zona: zona 3 - sísmica

Predimencionamiento:


Calculo de Presiones Laterales: Coeficientes Vertical: Coeficiente Horizontal:

Cv = 0.70 Ag. Ch = 0.50 Ag.

Cv= 0.28 Ch= 0.20

Cv = 0.70 x 0.40 Ch = 0.50 x 0.40

Segun los datos:

φ= δ= β=

32.0 16 0.0

α= θ=

90 15.5241

Hallando las K:

Sin sismo:

Ka = 0.25

Kp= 5.77

Con sismo:

Ksa= 0.50

Ksp= 28.52

EMPUJES: 1) Empuje sin Sismo: Ubicación del Pa:

Pa = 0.5x 2 x 6^2 x 0.25 = 9.02 ton.m

=  Y1=2.00 m.  = 3  = 12 1− 2) Enpuje con Sismo: Psa=12.95 Tn 2 ∆Psa= Psa =  3 ∆Pa=3.92 Tn Pa  = Y2=4.00 m. Ubicación del ∆Psa:   =  2 3) Empuje por sobrecarga: Psc=1.50 Tn Ubicación del Psc:

Pa

Pa=9.02 Tn

Y3=3.00 m.


Momentos del Empuje: 1) Momento de empuje sin Sismo: Mu Mu= Pa x Y1

Mu = 9.02 x 2

Mu=18.04 Tn.m

2) Momento de empuje con Sismo: Ms

Ms= ∆Psa x Y2

Ms = 3.92 x 4

Ms=15.70 Tn.m

3) Momento de empuje por sobrecarga: Msc Msc= Psc x Y3

Ms = 1.5 x 3

Msc=4.51 Tn.m

Suma Mv =

38.25 Tn.m

Verificacion por Volteo: Calculadora de la presion lateral: Peso del muro de contención por metro:

AREA

PESO

BRAZO

MOMENTOS

P1

0.55 m2

1.32 Tn

1.53 m.

2.02 Tn.m

P2

2.2 m2

5.28 Tn

1.8 m.

9.50 Tn.m

P3

12.1 m2

12.10 Tn

3.1 m.

37.51 Tn.m

P4

2.1 m2

5.04 Tn

2.1 m.

10.58 Tn.m

P5

0.11 m2

2.20 Tn

3.1 m.

6.82 Tn.m

∑P = R=

25.94 Tn

∑Ma=

66.44 Tn.m

Momento de Volteo:

Fs =

66.44 Tn.m 38.25 Tn.m

1.74

Correcto


Verificacion por deslizamiento: Coeficiente de fricción:

f = tan 2 φ/3

f = 0.00

Fuerza de Fricción:

F=Rxf

F = 0.00

F de empuje con sismo:

Psa = Pa+ ∆Psa + Psa

Psa = 14.45

Fac de seg por desplazamiento: Fs = F/Psa

Fs = 0.00

Calculando el empuje pasivo: Pa = 0.5x 2 x 1.2^2 x 28.52 = 41.07 ton.m

Em. Activo Psp

Em. Pasivo Psp

Fricción F

Factor =

Factor=

Psp + F Psa

2.84

Cumple con el factor permisible

Calculando la presión de contacto: Calculando la presión de contacto: e = 1.01 .m


Comparando y observando el comportamiento de las presiones: Traccióne´= 0.70 m. Compresión

Hallando las presiones en los extremos: q1 = 15.12 tn/m2 -q2 = 2.77 tn/m2

Si el esfuerzo permisible es σs = 16t n/m2 Entonces: Las presiones son permisibles Diseño por Flexión:


Calculo de Acero para Talon:

Para x=

2.2 m.

Sobrecarga:

Msc = 2.42 tn.m Carga de relleno

Wr = 5.50 tn/m

Mr = 13.31 tn.m Momentos según el sentido:

Horario :

M1 = 15.73 tn.m

anti-H :

M2 = 0.86 tn.m

Hallando el Momento de diseño:

Md = 23.78 tn.m

horario | Obras Hidráulicas.

Calculando el Acero:

R´=

105.71 tn/m2.

ρ = 0.0026

As= 0.00259617984726842 x 1 x 0.5 =

As = 12.98 cm2

Calculando ø y nº de Acero:

11.33 cm.

8 ø 5/8" a 11.33 cm.

0.50 m.

1.00 m.

Hallando las Cortantes :

Para x - d=

1.7 m. (max cortante)

Por cortante Vx : Vx=

1.45 tn | Obras Hidráulicas.

Cortante del Relleno: Vr =

2.34 tn

Cortante del Sc: Vr = 1.70 tn cor tante a (x-d) metros -2.59 tn

x 1.60 =

-4.15 tn

Permisible: Va = 38.40 tn Correcto

Para x´=

Cálculo de Para la punta:

1.4 m.

Hallando Wx´:

para x =

3.30 m

Wx = 11.29 tn/m.

Hallando el Momento de diseño:

Wx´= 15.12 - 4.26x´

Vx´= 15.12x - 2.13x´^2 Mx´= 7.56x^2 - 0.71x´^3 Hallando el Momento de diseño:

Para x´=

Md = 20.59 tn.m

1.4 m.

horario


C alculando el A cero:

R´=

91.50 tn/m2.

ρ = 0.0022

As= 0.00223759074444423 x 1 x 0.5 =

As = 11.19 cm2

Calculando ø y nº de Acero:

Para ø =

3/4 pulg

Para ø =

5/8 pulg

n = 4 barras

n = 6 barras

s =28.13 cm.

s =16.50 cm.

Sección transversal del talón (dibujar) 16.50 cm.

6 ø 5/8"

0.50 m.

1.00 m.

Hallando las Cortantes :

Para x´ - d=

0.9 m. (max cortante) | Obras Hidráulicas.

cor tante a (x -d) metros

Por cortante Vx : Vx= 11.88 tn

19.01 tn

x 1.60 =

Permisible: Va = 38.40 tn Correcto

Calculo de la pantalla: Calculo de cargas: Sean las formulas:

x

Wx

Vx

Mx

0 m.

0.251

0.00

0.00

0.25

0.00 Tn

0.00 Tn.m

1.833 m.

0.251

0.46

0.92

1.63

1.72 Tn

1.19 Tn.m

3.667 m.

0.251

0.92

1.83

3.00

5.96 Tn

7.85 Tn.m

5.5 m.

0.251

1.38

2.75

4.38

12.72 Tn

24.59 Tn.m

Cortante permisible:

Va = 46.08 m. Correcto

CALCULO DE ACERO POR FLEXION: Para un tº=t-0.05 X 1.833 m. 3.667 m. 5.5 m.

M (tn.m) 1.19 7.85 24.59

tº =0.35 m.

d´= R 0.41667 m. 7.6247545 0.002 0.48333 m. 37.320029 0.002 0.55 m. 90.310748 0.002208

As 8.33 cm2 9.67 cm2 12.14 cm2

ø = 5/8" 5 5 7

espacio 20.00 cm 20.00 cm 14.29 cm

sea: d´ seccion en cada h/3


2.3.

POZA DISIPADORA DE ENERGIA.

En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad crítica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza el agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, el número de Froude, debería estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la poza disipadora. Estudios especiales o pruebas de modelos se requieren para estructuras con número de Froude fuera de este rango. - Si el número de Froude es menor que aproximadamente 4.5 no ocurriría un salto hidráulico estable. - Si el número de Froude es mayor que 10, una poza disipadora no sería la mejor alternativa para disipar energía.

Las pozas disipadoras requieren de un tirante de aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. Las pozas disipadoras usualmente tienen una sección transversal rectangular, muros paralelos y un piso a nivel. Las siguientes ecuaciones se aplican a este tipo de poza, para determinar el ancho de la poza y el tirante después del salto. La cota del nivel de energía, después del salto hidráulico debería balancearse con la cota del nivel de energía en el canal, aguas abajo de la estructura. Si las cotas no están balanceadas, debería asumirse una nueva elevación para el piso de la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energía. Los tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido. Las cotas seleccionadas deben ser revisadas para asegurar que la poza disipadora operará efectivamente, también con caudales menores al caudal del diseño. Los diseños son normalmente verificados con un tercio del caudal del diseño.



Formación de ondas

Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza | Obras Hidráulicas.

disipadora no sería un disipador de energía efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidráulico estable. Un flujo no estable y pulsátil puede producirse en rápidas largas con una fuerte pendiente.

Estas ondas generalmente se forman en rápidas, que son más largas que 60 metros aproximadamente, y tienen una pendiente de fondo más suave que 20. La máxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad máxima del flujo momentáneo inestable y pulsátil es 2 veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden también desarrollarse en una rápida. Estas ondas son causadas por: 1. Transiciones abruptas de una sección del canal a otra. 2. Estructuras asimétricas 3. Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.

Poza Disipadora

2.4. 

CANAL DE LIMPIA.

Velocidad Requerida para el Canal de Limpia

El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material | Obras Hidráulicas.

de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

En los referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula: Vo = 1.5 c. d1/2 = 1.5V Donde: Vo: es la velocidad requerida para iniciar el arrastre. C: coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava. d: diámetro del grano mayor. V: velocidad de arrastre. La figura a continuación presenta una gráfica de la ecuación:


R elaci ón entre velocidad requeri da para el arrastre y el tamaño del grano.



Ancho del Canal de Limpia

El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación: B = Qc / q q = Vc3 / g Donde: B: ancho del canal de limpia, en metros Qc: caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m3/s. q: caudal por unidad de ancho, en m3/s/m. Vc: velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s. g: aceleración de la gravedad, en m/s2. | Obras Hidráulicas.

Este ancho sirve de referencia para el cálculo inicial pero siempre es recomendable que se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre, sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.). Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho mínimo sea de 5 metros o múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación recomendable para normar el ancho del canal de limpia.

Canal de limpia.

A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de limpia: a. Caudal en la zona de limpia: Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del rio. b. Velocidad en la zona de Limpia: Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s c. Ancho de la zona de Limpia: Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje. 

Pendiente del Canal de Limpia

Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de limpia. La fórmula recomendada para calcular Ia pendiente crítica es: Ic = n2 .g10/9 / q2/9 (3.51) | Obras Hidráulicas.

Donde: Ic: pendiente critica. g: aceleración de la gravedad, en m/s2. n: coeficiente de rugosidad de Manning. q: descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m2/s. Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de Ia ventana de captación debe estar por debajo del umbral de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador.

IV. CONCLUSIONES. 

Logramos dar a conocer de forma práctica mediante el presente informe el funcionamiento de una bocatoma, comprendiendo de esta forma la teoría y afianzando nuestros conocimientos previos, entendiendo el funcionamiento de estos. | Obras Hidráulicas.



Entendimos lo que son bocatomas, su funcionamiento, y según qué condiciones se utilizan estas estructuras hidráulicas. Ya que hay diverso tipos y se utilizan bajo condiciones diferentes.

 Realizamos

el diseño hidráulico y estructural de una bocatoma en el

capítulo I.



Realizamos el diseño estructural de un aliviadero, en el capítulo II.

 Comprendimos

cuáles son los criterios de diseño que se utilizan en las

bocatomas.



Diferenciamos las clases y tipos de bocatomas, ya que se emplean diferentes según lo que se desea lograr, por ejemplo en bocatomas se usan distintos tipos de barrajes, fijo, móvil y mixto.

V. RECOMENDACIONES. 

Se recomienda al momento de diseñar una bocatoma y todas sus partes, seguir todos los criterios de diseño y el reglamento.

 Al

momento de diseñar una bocatoma se debe también tener en cuenta

su movimiento de tierras, además de los beneficios que esté traerá. | Obras Hidráulicas.



Realizar un debido mantenimiento y limpieza, ya que debido al funcionamiento continuo, la infraestructura de las bocatomas tienden a contaminarse, en campo se puede observar que se acumula basura y desperdicios, ya que esto trae el mismo río, el mantenimiento del canal del Proyecto Especial Chinecas se realiza cada seis meses, es decir dos veces al año.

 Se

recomienda realizar la limpieza y el mantenimiento de las bocatomas

y desarenadores, para un mejor funcionamiento y mayor tiempo de vida útil de estos. 

Se recomienda al momento de la planeación y diseño de las bocatomas y desarenadores tener en cuenta distintos factores como la geología y topografía del lugar ya que es de vital importancia.

 Debido

a que la construcción de cualquier estructura hidráulica afecta a

una larga serie de procesos del territorio entre los que cabe señalar, los de tipo ambiental, se debe tener en cuenta el concepto de desarrollo sostenible y el medio ambiente al momento de diseñarlas y construirlas.  En

los desarenadores se debe tener en cuenta las partículas que se

desean eliminar ya que es diferente para proyectos de irrigación y los proyectos hidroeléctricos.

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. - La bocatoma, estructura clave en un proyecto de aprovechamiento hidráulico. Obtenido en la página: http://www.imefen.uni.edu.pe/Temas_interes/ROCHA/La_bocatoma.PDF


- Bocatoma, estructura hidráulica. Obtenido en la página: http://www.arqhys.com/construccion/bocatoma-estructura-hidraulica.html - Trabajo de bocatomas. Obtenido en la página: http://www.cepes.org.pe/pdf/OCR/Partidos/sistemas_agua/sistemas_agua11. pdf - Bocatomas. Obtenido en la página: http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/publicacionez/tercera_sesi on_bocatomas.pdf - Guía para el diseño de desarenadores y sedimentadores. Obtenido en la página: http://www.bvsde.paho.org/bvsatp/e/tecnoapro/documentos/agua/158espdiseno-desare.pdf


ANEXOS.


Fig. 01 y 02: Desarenador la Víbora.


Fig. 06: Viga pinza.


Fig. 09: Estructura de la bocatoma la Víbora – Proyecto especial Chinecas. | Obras Hidráulicas.

Bocatoma chimbote

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