UNIVERSIDAD TECNICA DE MACHALA FACULTAD INGENIERÍA CIVIL CARRERA: INGENIERÍA CIVIL DISEÑO HIDRAULICO INFORME TÉCNICO DE DISEÑO HIDRAULICO REALIZADO EN: LA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL AUTOR: VICTOR ANGEL CHUCHUCA CH. CÉDULA DE IDENTIDAD: 0706015369 DOCENTE: ING. FRANCISCO VERA.
AÑO LECTIVO: 2014-2015 MACHALA – EL EL ORO – ECUADOR ECUADOR
UNIVERSIDAD TECNICA DE MACHALA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CARRERA: INGENIERÍA CIVIL DISEÑO HIDRAULICO INFORME TÉCNICO
TITULO CAPTACION DE TOMAS DE AGUAS SUPERFICIALES
AUTOR: Víctor Ángel chuchuca DOCENTE ACADÉMICO: Ing. Francisco Francisco Vera Vera
Machala, 18 de julio del 2014
UNIVERSIDAD TECNICA DE MACHALA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CARRERA: INGENIERÍA CIVIL DISEÑO HIDRAULICO INFORME TÉCNICO
TITULO CAPTACION DE TOMAS DE AGUAS SUPERFICIALES
AUTOR: Víctor Ángel chuchuca DOCENTE ACADÉMICO: Ing. Francisco Francisco Vera Vera
Machala, 18 de julio del 2014
AUTORIA DEL INFORME
Todo criterio, idea, detalle y concepto expresado en el presente informe, son de absoluta responsabilidad de mi autoría.
Machala, 18 de julio del 2014
Sr. Víctor Ángel chuchuca chuchuca C.I. 070601536-9
AUTOR
INDICE GENERAL Contenido TITULO .............................................................................................................................................
2
CAPTACION DE TOMAS DE AGUAS SUPERFICIALES ........................................................ 2 AUTORIA DEL INFORME ...............................................................................................................
3
INTRODUCCION ..............................................................................................................................
6
ANTECEDENTES ..............................................................................................................................
7
OBJETIVO ..........................................................................................................................................
8
OBJETIVOS ESPECIFICOS ..........................................................................................................
8
UBICACIÓN GEOGRAFICA DEL PROYECTO ............................................................................. 9 1.-
FUNDAMENTO TEORICO ...............................................................................................
10
1.1 CAPTACION DE AGUAS SUPERFICIALES ...................................................................... 10 1.2. TIPOS DE OBRA DE TOMA ..............................................................................................
11
1.3. TOMAS DE FONDO: CAUCACIANA O TIROLESA. T IROLESA. ....................................................... 11 1.3.1 .CRITERIOS DE DISEÑO ..............................................................................................
13
1.3.2. CONSIDERACIONES IMPORTANTES. ...................................................................... 14 1.3.3. IMPLEMENTACION DE LA OBRA DE TOMA DE FONDO .................................... 15 2. DISEÑO Y CALCULOS. ............................................................................................................
17
2.1.-DATOS ..................................................................................................................................
17
2.1. DISEÑO DE REGILLAS ....................................................................................................... 18 2.2. DIMENCIONAMIENTO DE LAS PLATINAS. ..................................................................
18
2.3. DISEÑO DE LA REJILLA EN FUNCION DE LA OBSTRUCCION. ................................ 20 2.4. MUROS DE ALA ..................................................................................................................
24
2.4.1 CONSIDERACIONES TECNICAS ................................................................................
24
2.4.2CALCULOS Y DISEÑO ..................................................................................................
24
2.5 DISEÑO DE LA GALERIA ...................................................................................................
26
2.5.1 CALCULOS Y DISEÑO .....................................................................................................
26
25.2. CALCULO DEL ORIFICIO DE PASO. .............................................................................
29
2.6. CALCULO DEL DESRIPIADOR CAJON DISTRIBUIDOR .............................................. .............................................. 30
2.6.1. CALCULO DE LA TUBERIA DE PASO DEL DESRIPIADOR AL DESERANADOR ................................................................................................................................................... 30
3. DESARENADOR. ........................................................................................................................
33
3.1. DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE. ........................................................... 33 3.1.1UNA TRANSICION DE ENTRADA.- ............................................................................
33
3.1.2. LA CAMARA DE DESARENACIÓN O SEDIMENTACIÓN.- ................................... 34 3.1.3
VERTEDERO. ..........................................................................................................
34
3.1.3 COMPUERTA DE LAVADO. ........................................................................................
34
3.1.4. CANAL DIRECTO. ........................................................................................................
35
3.1.4 ASPECTOS GENERALES .............................................................................................. 36 3.2 .CRITERIOS PARA EL DISEÑO ........................................................................................... 39 4.CALCULOS Y DISEÑOS. ............................................................................................................
41
4,1.- CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION (LT) ..................................................... 42
4.2.- CALCULO DE LA LONGITUD DE LA CAMARA (LD) ................................................. 42 4.3 SECCION TRANVERSAL AL INICIO DEL DESARENADOR ......................................... ......................................... 44 4.4 DISEÑO DEL VERTEDERO ............................................................................................... 49 4.5 DISEÑO DEL ORIFICIO DESARENADOR DESARENADOR .......................................................................
51
ANEXOS ...........................................................................................................................................
54
ANEXO # 1 ......................................................................................................................................
55
ANEXO # 2 ...................................................................................................................................
56
ANEXO # 3 ...................................................................................................................................
57
INTRODUCCION Las tomas fluviales y en ellas la selección del punto de extracción, son sin duda, las más delicadas de todas las obras de captación, puesto que el agua de los ríos presenta problemas de calidad, variaciones estacionales de la temperatura, contaminación “aguas arriba” por efluentes urbanos e industriales, fuertes puntas de
turbiedad (riadas) además de factores hidrológicos que condicionan la obra de captación como: la inestabilidad del fondo, las variaciones del nivel del agua, la navegación y la flora acuática entre otros. Así mismo las variaciones estacionales de caudal pueden ocasionar serios problemas a la hora de conseguir el caudal durante el verano, sin perjudicar a terceros, (pesca, riegos, navegación, etc.), en alguno de estos casos puede ser necesario regular el río por medio de un embalse. Sin embargo en el momento analizaremos las captaciones fluviales sin regulación, en las que debe bastar con el caudal de estiaje para abastecimiento, sin que el curso del agua resulte perjudicado por esta toma. En el diseño de obras de toma debemos tomar en consideración ciertas normas teóricas que satisfacen nuestras necesidades para obras de contención, regulación, captación, conducción y entrega del agua para su utilización en diferentes fines. El diseño hidráulico debe satisfacer ciertos requisitos que en orden de prioridad son:
Funcionalidad.
Seguridad.
Economía
Estética:
En cualquier caso, el diseño adecuado de la obra de toma implica una operación eficiente del resto de la infraestructura de cualquier sistema de abastecimiento de agua.
ANTECEDENTES
Desde la antigüedad, el hombre aprovecha el agua superficial como primera fuente de abastecimiento, consumo e incluso vía de transporte, estableciéndose en los valles de los ríos las primeras civilizaciones.
Sim embargo, el establecimiento en zonas áridas o semiáridas del planeta obligó al desarrollo de formas de captación de agua lluvia, como alternativa para el riego de cultivos y el consumo doméstico.
En el desierto de Negev, en Israel y Jordania, han sido descubiertos sistemas de captación de aguas lluvia, como alternativa para el desmonte de zonas para aumentar la escorrentía superficial, que era entonces dirigida a previos agrícolas en zonas más bajas.
En la civilización maya (1000 a. C. – 1600 d. C) se desarrollaron los chultunes, que es un sistema de captación y almacenamiento pluvial compuesto de una cámara subterránea en forma de una botella, con sus entradas rodeadas por delantales enyesados que dirigían el agua de lluvia hacia su interior durante las estaciones lluviosas. Estas construcciones se daban en las zonas donde no existían cenotes (lagunas karsticas típicas de la península del Yucatán).
OBJETIVO Determinar el diseño de un sistema de captación por gravedad de aguas superficiales.
OBJETIVOS ESPECIFICOS Captar el caudal de diseño ya sea en estación seca como en estación de lluvias. Diseñar una estructura adaptada al choque de la corriente líquida, al impacto de los afluentes.
Derivar la cantidad de agua necesaria a travez de una estructura, para cubrir una demanda estipulada.
UBICACIÓN GEOGRAFICA DEL PROYECTO La obra se encuentra localizada en la Provincia de él Oro, entre el cantón Pasaje y Chilla, el rio sobre el que se va a ejecutar la toma es el Rio Dumari, el lugar de la captación se encuentra a una cota de 1000 msnm. Dicha obra transporta el agua a la población de la parroquia casacay, que se ubica a una cota de 200 msnm. El caudal requerido es de 0.70 metros cúbicos por segundo, según podemos observar se trata de un rio de fuerte pendiente de 25% .
1.-
FUNDAMENTO TEORICO
1.1 CAPTACION DE AGUAS SUPERFICIALES La obra de toma es una estructura hidráulica capaz de captar total o parcialmente las aguas de un río, lago, vertiente, canal, embalse, con el objeto de satisfacer una necesidad o fin determinado. Su diseño es diferente en un cauce hídrico que tenga gran cantidad de arrastre de material de fondo, pues esto indica crear dispositivos especiales que separen el caudal sólido del líquido y disponer de la separación de estos de manera eficiente. En su diseño hay que considerar la influencia del material sólido pues este causa problemas, tales como disminución de erosiones, depósitos de material y obstrucciones en general. En su diseño y construcción de las obras de toma, debemos tomar en cuenta: 1. La variabilidad del régimen de flujo hídrico asegurando la derivación permanente del caudal del diseño. 2. Ubicarla en un lugar que permita condiciones favorables para su construcción, operación y mantenimiento. 3. Proteger el paso de crecidas que arrastran gran cantidad de materiales sólidos y material flotante. Para seleccionar el tipo de Obra de Toma y su ubicación, debe considerarse los siguientes criterios: - La topografía de la zona - Uso o finalidad del agua a captar - Cantidad de agua disponible - Costo de la Obra
1.2. TIPOS DE OBRA DE TOMA Podemos clasificar los siguientes tipos de Obra de Toma:
- Tomas de Fondo Tomas de Derivación Directa - Tomas Convencionales
- Tomas de rejilla con planta semicircular o poligonal Tomas de Embalse
- Tomas Torre
- Vertical - Inclinada
- Tomas Telescópicas – Tipo OBHIDRA - Dentro y Fuera del Cuerpo de la Presa
1.3. TOMAS DE FONDO: CAUCACIANA O TIROLESA. Son instaladas en torrentes o ríos de montaña que tienen las siguientes características:
Fuertes pendientes longitudinales que pueden llegar al 10% o más. Creciente súbita causadas por aguaceros de corta duración y gran intensidad y que arrastran gran cantidad de piedra. Agua relativamente limpia en época de estiaje y con poco contenido de sedimentos finos.
Este es un tipo de toma comúnmente empleada en nuestro medio, la toma en si se construye en el lecho del río y está protegida por una rejilla, de modo que los sedimentos gruesos no tengan pasada hacía. La estructura de toma. La rejilla se ubica en forma transversal al cauce y los barrotes en dirección al flujo, esta puede tener una pequeña inclinación y por debajo de ella está la galería, que es parte del cuerpo del azud y se conecta con el canal. Las partículas menores que ingresan, son evacuadas después por medio de desarenadores y canales de lavado.
Vista lateral y vista frontal de una toma tirolesa El propósito de la toma, es el de derivar la cantidad de agua necesaria a través de una estructura, para cubrir una demanda estipulada. Una toma debe cumplir los siguientes requisitos: Debe poder evacuar los caudales de crecida determinados por la hidrología, de modo que no cause ningún daño a la estructura. Debe ser capaz de captar el caudal de diseño ya sea en estación seca como en estación de lluvias. Debe captar agua de manera tal que no se contamine y en lo posible se produzca una mejoría de la calidad físico-química de las aguas.
La carga sedimentada debe poder lavarse hidráulicamente para ello, ser án necesarias estructuras adicionales. La selección del punto de toma debe ser por tanto, adecuado a los requerimientos que debe cumplir la toma. A veces se requiere la construcción de un pequeño dique en el río, que ayude a captar agua en la cantidad requerida pero ello dependerá de la topografía del sitio, de las condiciones geotécnicas, de la altura de las riberas de los ríos en el lugar del dique, de la cantidad de agua que se desea captar y de los costos que ello implique.
1.3.1 .CRITERIOS DE DISEÑO En el diseño de una toma tipo tirolesa es necesario considerar los siguientes criterios:
Esta obra principalmente se adecua a ríos de montaña, donde las pendientes longitudinales son pronunciadas que pueden llegar al 10% o a veces a más.
Funcionan para cauces que traen avenidas de corta duración y que llevan gran cantidad de piedras.
Cauces que tienen grandes variaciones de caudales, que provienen de nevados.
En cauces que tienen pequeños contenidos de sedimentos finos y agua relativamente limpia en época de estiaje.
La rejilla es la parte más baja del coronamiento de la presa que cierra el río, cualquiera que sea el caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Debido a esto, la rejilla puede ubicarse a cualquier altura sobre el fondo de manera que la altura del azud puede llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 o 50 cm. Esto permite que las piedras pasen fácilmente por encima del azud con lo cual se suprime la costosa compuerta
de purga o esclusa de limpieza. La baja altura del azud permite a su vez disminuir la longitud del zampeado. Estas dos ventajas hacen que se economice en los costos de una toma Tirolesa y que sea más económico que una convencional. Sin embargo la desventaja de este sistema es la facilidad con que se tapa la rejilla especialmente si el río trae material flotante como hojas y hierbas.
La crecida de diseño se recomienda a un periodo de retorno de 50 años, dependiendo de la importancia aguas abajo.
1.3.2. CONSIDERACIONES IMPORTANTES.
El caudal adoptado corresponderá a una avenida máxima entre 50 y 100 años, para condiciones de operación extrema.
Determinación del caudal de captación de acuerdo a los requerimientos, pudiendo ser una o más ventanas.
Para atenuar el ingreso de sólidos de fondo, se puede incluir un canal de limpia gruesa o desripiador, ubicado frente a las ventanas de captación. Completando la limpia un conducto de purga ubicado antes de las compuertas de regulación, el caudal descargará a la poza del barraje móvil.
La operación de captación del caudal de diseño, tendrá en cuenta que lo podrá efectuar en época de estiaje, manteniendo cerradas las compuertas del barraje móvil y durante el periodo de avenidas con la compuerta parcial o completamente abiertas.
El diseño de la estructura vertedora a proyectarse en el cauce del río, deberá permitir el paso de la avenida máxima de diseño, mediante la acción combinada entre el barraje fijo y el móvil, cuyo salto hidráulico deberá estar contenido dentro de los muros de encauzamiento y poza disipadora. Aguas abajo se deberá contemplar una protección de enrocado.
1.3.3. IMPLEMENTACION DE LA OBRA DE TOMA DE FONDO
Para las tomas de fondo requerimos las siguientes obras:
Muro de Ala.
Cajón Repartidor o desripiador.
Compuertas.
Vertederos.
Desarenador.
El agua pasa a través de la rejilla y circula por la galería hacia el cajón repartidor desde donde se la lleva al desarenador y de este por la conducción hasta el sitio de aprovechamiento. Como alternativa de construcción y diseño la rejilla y galería pueden estar construidas sobre un pequeño azud el cual estará dimensionado de 20 y 50 cm.
La principal desventaja de este tipo de obra de toma es la facilidad con que se tapa la rejilla con materiales como hierbas, piedras, ramas hojas. Las piedras pasan sobre la rejilla la misma que tiene una inclinación para facilitar este paso. Esta rejilla está construida de pretinas separadas entre si de 2 a 6 cm. Se debe evitar colocar barras circulares.
El agua ingresa a la galería a través de la rejilla junto con pequeñas piedras y arena por lo cual hay que disponer de un desrripiador y desarenador a continuación de la bocatoma.
2. DISEÑO Y CALCULOS. 2.1.-DATOS Q= Qc=
0,70 6
ϒm= φr=
2,5 0,6 5 1 25% 1400 1
b= s= i= δ= ϒH2O=
caudal m³/s captado m³/s caudal de crecida peso específico del ton/m³ material m diámetro representativo cm separación entre pletinas cm ancho de pletinas (valor asumido) pendiente kg/cm² esfuerzo de la platina ton/m³ peso específico del agua
2.1. DISEÑO DE REGILLAS Consideraciones Técnicas
La separación entre las pletinas (b) debe estar comprendida entre 2 a 6 cm.
El ancho (s) y el alto (a) de la platina deberá estar en función de las existentes en el mercado que generalmente varían en intervalos de 1/8 de pulgadas.
Tienen una inclinación con la horizontal de 0º y 20º para facilitar el paso de las piedras, pero según Bouvard se podría llegar a 30º o hasta 40º.
La longitud (L) de la rejilla varía de 0.30 a 1.5 mts con la cual despreciará toda deformación posible debido al peso del material de arrastre que pasa sobre ella.
2.2. DIMENCIONAMIENTO DE LAS PLATINAS.
Peso específico del material sumergido ( s.) H2O 1Ton. / m
3
m 2,5 Ton. / m
3
s m - H2O s 2,5 - 1 =
1,5 Ton. / m3
El volumen del material sobre la rejilla será: Vol. = 1/6. . r 3 Vol. = 1/6 (3.1416)(0.60 m)3
Vol. = 0,113 m3.
El peso del material está dado por: G= Vol. x s G = 0,113 m3.x 1,5 Ton. / m3
G = 0,17 Ton.
Para calcular el ancho y el alto de la platina asumimos tres longitudes distintas. L’ =
L
2
( i 2 + 1)
Longitud de la rejilla Momento máximo
M = G/8 (L’ + 0,05)
W = (M/)x105
Momento resistente
a = (6W/s)
Ancho de platina
i
L
L'
(%)
(m)
(m)
25% 25% 25%
0,50 0,52 1,00 1,03 1,50 1,55
M W (ton(cm) m) 0,012 0,86 0,023 1,64 0,034 2,42
a
SECCIÓN
(cm)
(pulg.)
2,27 3,13 3,81
½X1 ½ X 1¼ ½ X1½
2.3. DISEÑO DE LA REJILLA EN FUNCION DE LA OBSTRUCCION. Para determinar la longitud (L) , el ancho (B) y la energía específica (H) en función de la obstrucción de la rejilla nos valemos de la fórmula expuesta inicialmente por E. Zamarín.
Q = C.k.B.L. (2.g.hm)
Dónde: Q = Caudal captado C = Coeficiente de contracción de la vena líquida. K = Coeficiente de reducción de área efectiva. B = Ancho de la rejilla L = Longitud de la rejilla. hm= Carga hidráulica sobre la rejilla.
El coeficiente de contracción de la rejilla está dado por: C ₀ = Coeficiente de forma de los barrotes está en función de la relación:
₀
C = C -
₀ C₀ = 0,5 C = 0,6
0,325i
a/b > 4
C=Cº-3,25i
a/b < 4
C=
i= inclinación de los barrotes
0,42
Coeficiente de reducción del área efectiva: K = (1 - f) * (b/(b+s)) K= (1-0,30)*(5/(5+1)) K= 0,58 f = es el 30% del área total de la rejillas se asume
Según Backmeteff - Boussineq:
₀
Q=
caudal captado
C=
coeficiente de contracción de la vena liquida
K=
Coeficiente de reducción del área efectiva.
B=
Ancho de la rejilla.
L=
longitud necesaria
H0=
carga hidráulica sobre la rejilla
ancho de la rejilla B=
energia especifica o carga hidraulica
Q
H0=
3.20(C.K.L)^1.5
Q^2 (2.55*C*B*K*L)^2
L(m)
B(m)
H₀(m)
0,5
5,12
0,192
1,0
1,81
0,385
1,5
0,99
0,577
COMPROVACION
Q=
2,55*0,42*0,58*1,81*1* 0.385
Q=
0,70 m3/seg
OK
RESUMEN DEL DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA VISTA DE PLANTA
CORTE 1- 1
En resumen el dimensionamiento de la rejilla está dado por: - La longitud de la rejilla:
L = 1.0m
- El ancho de la rejilla:
B = 1.82m
- Separación de barrote a barrote:
b = 0,05 m
- Sección de los barrotes: s x a =
½ x 1¼
. La energía específica
Ho = 0.38 m
2.4. MUROS DE ALA 1001.13
delantal
Muro de ala
BL
1000
rejilla
H
galería CORTE LONGITUDINAL
2.4.1 CONSIDERACIONES TECNICAS Para el cálculo de los muros de alas se diseña con el caudal en épocas de crecida. Asumimos un Bordo Libre igual a 0.30 m.
2.4.2CALCULOS Y DISEÑO Para diseñar los muros de ala debemos tomar en cuenta el caudal de crecida determinado en un período representativo. Con lo cual obtendremos una altura de ala H suficiente con la cual el nivel de crecida no lo rebasará y por consiguiente protegerá la obra.
FORMULACION
Yc
[()]
Yc
Yc= 0,42
calado critico
m
Haltura critica
H' = 3/2*Yc H' = (3/2)*0,33
H' = 0,63
m
H = H' + Blibre
Haltura del muro de ala
H= 0,63+ 0,50
H= 1,13
m
La altura de los muros de ala será: H = 1.13 m. La cota del muro de ala será igual a la cota de la rejilla más la altura “H”
Cota del muro = 1000 + 1.13 = 1001.13 m.
2.5 DISEÑO DE LA GALERIA
Consideraciones técnicas
La velocidad en el origen debe ser de 1m/seg.
La velocidad final en la galería debe estar entre los 2 a 3 m/seg.
La velocidad en cualquier punto de la galería para que no exista sedimentación debe ser mayor de 3 g.b
2.5.1 CALCULOS Y DISEÑO Definimos el ancho "B"de la rejilla en partes iguales de modo que para cada espacio Δx circule un caudal Qx. Que nos dice zamarin.
Qx= Caudal para cada espacio Δx Q= Caudal de Diseño Δx=Qx = (Q/B)*X
B= Ancho de la rejilla X= Distancia desde el Origen
Esto nos indica que al dividir el ancho de la rejilla "B" en "n" partes iguales el caudal que pasa por cada uno de estos espacios Δxsera igual a Qx.
Debemos tener en cuenta que la velocidad inicial (V0) debe ser de por lo menos 1m/s.
La velocidad final (Vf)debe ser comprendida entre 2 y 3m/s con lo cual se garantiza que los sedimentos sean arrastrados convenientemente.
Debemos considerar la velocidad en cualquier punto de la galería y viene expresado por.
Vx = [(Vf -V )/B]*X + V
Velocidad en cualquier punto de la Vx= galería V = Velocidad inicial al origen de la galería Vf= Velocidad final en la galería
₀
El gradiente hidráulico es determinado por. J=
J = (Vx²*n²)/ R^(4/3)
n= R= hf=
Gradiente Hidráulico Coeficiente de Rugosidad de Manning (0,025 0,030) Radio Hidráulico Perdidas locales por fricción
La pérdida de carga "hf" viene dada por.
J= gradiente hidráulico x= distancia desde el origen determinamos las perdidas locales por fricción.
Así mismo determinamos las cargas por velocidad
Finalmente obtenemos la longitud de los perfiles verticales medidos a partir
hf = J*X
de la rejilla sumándole el calado "d" las perdidas por fricción y las cargas por velocidad.
calado
d=
perímetro mojado
A L
Radio hidráulico distancia desde el origen
P =2d+L
Q= B= L=
R=
Datos: 0,70 m³/s 1,8 m 1,0 m
n= V= Vf=
₀
0,025 1 2,5
x=
A P B n partes
m/s m/s
CALCULO DEL PERFIL DE FONDO Perfil = d + Suma(hf) + Vx²/2g
1
2
3
4
5
6
7
8
X Qx Vx Ax d P R R^(4/3) (m) (m³/s) (m/s) (Qx/V) (Ax/L) (2d+L) (Ax/P)
9
10
11
Jx
hf
Σ
12
13
Vx²/2g Perfil
hf
0
0,00
1,00
0,00
0,00
1,00
0,00
0,00
0,000 0,00 0,00
0,05
0,05
0,36
0,14
1,30
0,11
0,11
1,22
0,09
0,04
0,027 0,01 0,01
0,09
0,20
0,73
0,28
1,60
0,18
0,18
1,35
0,13
0,07
0,024 0,02 0,03
0,13
0,33
1,09
0,42
1,90
0,22
0,22
1,44
0,15
0,08
0,028 0,03 0,06
0,18
0,46
1,46 1,82
0,56 0,70
2,21 2,51
0,26 0,28
0,26 0,28
1,51 1,56
0,17 0,18
0,09 0,10
0,033 0,05 0,10 0,039 0,07
0,25 0,32
0,50 0,60
Cota de inicio de la galería : Cota de inicio de la galería Cota de inicio de la galería
reja = =
altura de pletina ( a ) - 5 cm 1000 - 0,0313 - 0,05 999,94 m
Cota de espejo de agua en la entrada de la rejilla = reja + Ho = 1000 + 0,385 = 1000,385 m 25.2. CALCULO DEL ORIFICIO DE PASO.
El orificio de paso debe ser calculado en función del caudal necesario que pasa a través de él.
Q
hi = Q²/(7,06*A²) hi = Q²/(7,06*A²)
Cd= Coeficiente de descarga 0,60 hi= Carga al centro del orificio
L x a0 1 1 1
A 0,2 0,2 0,32 0,32 0,4 0,4
Q 0,7 0,7 0,7
Cota M
hi
Cota z
999,82
1,7351 0,6778 0,4338
999,50
Cota Z = cota rejilla - perfil Cota Z = 999,50 m Cota M= cota Z + a0 Cota M= 999,82
2.6. CALCULO DEL DESRIPIADOR CAJON DISTRIBUIDOR Para el cálculo del desripiador nos valemos de las condiciones económicamente factibles, momento de la limpieza. Por lo tanto nuestro cajón desripiador quedará de 1.50 x 1.50x 1,50 m.
2.6.1. CALCULO DE LA TUBERIA DE PASO DEL DESRIPIADOR AL DESERANADOR La tubería transporta el caudal de diseño desde el desrripiador hasta el desarenador, por lo tanto su diseño debe ser exacto y debe están enmarcado en los requerimientos de la obra como son cota, diámetro y longitud. Para efectos considera un orificio sumergido que permita el paso del caudal que se determina con la siguiente expresión:
Diseño del cajón distribuidor Q
V
t
Tiempo que el agua permanece en el cajón : t = t =
V Q x
1,5
t =
4,82
1,5 0,7 seg
x
1,5
Diseño de la tuberia de paso del cajon distribuidor al desarenador. Yc
[()]
Yc
Q
A= 0,32m2 Donde Cd=0.60 Se diseña con la carga h1=0,68m
D
√
D
D= 0,573 m
El diámetro de la tubería es de : D=600mm Diámetro comercial
Q =
Cd x A x
2ghi
Q1 = 0,60X0,32 (2*9,81*0.68) Q1= 0,701 m3/s El diámetro de la tuberia es de :
Φt
=
600 mm
3. DESARENADOR. En la mayoría de obras de toma la velocidad en la entrada es tal que es capaz de arrastrar partículas sólidas ingresándolas junto con el agua. Las arenas arrastradas por ríos y crecidas de agua captadas a través de una Bocatoma pueden irse depositando en una estructura, disminuyendo la sección de la conducción, la capacidad de reservorios y produciendo desgaste y daños en accesorios y equipos. Por tal razón es necesario construir obras hidráulicas que permitan separar y luego remover este material sólido; a esta obra se la conoce como DESARENADOR. Estos desarenadores deben construirse lo más cerca posible de la Bocatoma, y su diseño puede variar dependiendo de la forma de evacuar el material sedimentado. Así tenemos: Desarenador de Lavado Continuo Desarenador de Lavabo intermitente
3.1. DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE. Se lava periódicamente siendo el periodo de lavado función de la cantidad de sedimentos que trae el agua y procurando realizar la operación de limpieza el menor tiempo posible. Se compone de las siguientes partes:
3.1.1UNA TRANSICION DE ENTRADA.Que une el canal de llegada con la cámara de desarenación. El objeto de esta transición es disminuir la velocidad de ingreso a la cámara en forma uniforme lo que redundará en la eficiencia de la desarenación. Esto se consigue con un ángulo de divergencia de las paredes no menor de 12.5º.
3.1.2. LA CAMARA DE DESARENACIÓN O SEDIMENTACIÓN.En la cual las partículas sólidas van al fondo debido a la disminución de velocidad producida por el aumento de sección transversal. Se ha probado que las velocidades menores a 0.5m/sg las arenas no pueden detenerse en una superficie lisa como en el fondo del desarenador; por tal razón la sección transversal de la cámara se la diseña para velocidades que van de 0.1 a 0.4m/sg y la velocidad media para la profundidad del desarenador puede variar entre 1.5 a 4 m/sg. La forma del desarenador puede ser rectangular, trapezoidal o mixta. Para caudales menores a 1m3/sg es recomendable diseñar los desarenadores con doble cámara con lo que se evita el canal lateral, la gradiente del fondo debe ser tal que produzca velocidades de limpieza de 3 a 5m/sg con lo que se consigue rapidez y eficiencia en la operación del lavado.
3.1.3 VERTEDERO. Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasará el agua limpia hacia la conducción. Mientras más pequeña sea la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causará el desarenador y menos materiales en suspensión arrastrará. La velocidad admisible de paso podrá llegar a 1m/sg con una carga hidráulica sobre el vertedero no mayor a 25cm.
3.1.3 COMPUERTA DE LAVADO. Por esta se desalojan los materiales depositados en el fondo. Esta compuerta se la diseña como un orificio sumergido para un caudal igual a dos veces el caudal de captación.
3.1.4. CANAL DIRECTO. Por el cual se da servicio mientras se esta lavando el desarenador. Cuando el desarenador es de doble cámara, ya no es necesario este canal, pues el lavado se realiza alternando las cámaras.
3.1.4 ASPECTOS GENERALES Desarenadores siempre son necesarios, cuando el contenido de materias en suspensión en el agua del río es alto y cuando los elementos de la obra, tales como tubería de presión, ruedas de la turbina, compuertas, etc. deben ser protegidos contra la abrasión por materias duras en suspensión, como arena cuarcítica. El efecto de desgaste por abrasión dentro del corto tiempo puede causar graves daños y reducir considerablemente el rendimiento de turbinas. El riesgo de deterioro para los componentes de la estructura es tanto mayor, cuanto mayor es la caída útil y, debido a eso, la velocidad del flujo del agua.
El propósito del desarenador consiste en eliminar las materias finas de suspensión del agua, protegiendo así los elementos de la estructura. Esto ocurre lo más simplemente por medio de la sedimentación de las materias en suspensión en la cámara de sedimentación, o sea en el desarenador (tipo largo). El principio consiste en reducir la corriente de agua a una velocidad pequeña y distribuida lo más uniformemente posible a lo largo de la sección de la cámara. Al efecto, el tiempo de transcurso del agua por la cámara no debe ser menor que el tiempo que la materia en suspensión necesite para depositarse. Con estas condiciones marginales se llega a obras largas y de forma hidráulicamente favorable. La velocidad del agua en el canal de entrada al desarenador no debe ser baja, a fin de que la materia en suspensión no se deposite con anticipación en el canal de entrada. De ahí resulta que el agua entra en el desarenador con turbulencia. Para conseguir una corriente tranquila y uniforme, sin embargo, hay que prever un tramo de transición bien diseñado. Además pueden ser colocadas rejillas de tranquilización que dan buenos resultados. La forma del desarenador puede ser rectangular, trapezoidal o mixta.
Es recomendable la sección trapezoidal pues sus paredes pueden diseñarse como muros de revestimiento. Para caudales mayores de 2 m 3/seg. Es recomendable diseñar los desarenadores con doble cámara con lo que obviaría el canal lateral.
Al final de la cámara se construye un vertedero.- sobre el cual pasara el agua limpia hacia la conducción, mientras más pequeña sea la velocidad de paso por el vertedero menos turbulencia causara en el desarenador y menos material de suspensión arrastrara, la velocidad admisible de paso podrá llegar a 1m/seg. con una carga hidráulica sobre el vertedero no mayor a 25 cm. La gradiente del fondo debe ser tal que produzca velocidades de limpieza de 3 a 5 m/seg. , con lo que se consigue rapidez y eficiencia en la operación de lavado la misma que debe tener una pendiente del 2 al 6 %.
La compuerta de lavado.- es por donde se desalojan los materiales depositados en el fondo, la compuerta de evacuación de la diseña para un caudal de evacuación igual a dos veces el caudal de captación. Qevac. = 2 Qcap
Canal Directo.- Por el cual se da servicio mientras se esta lavando el desarenador, cuando el desarenador es de doble cámara ya no se necesitaría este canal, pues la limpieza se la realiza alternando las cámaras.
3.2 .CRITERIOS PARA EL DISEÑO Los desarenadores se diseñan para retener un determinado diámetro de partículas, por lo cual los diámetros mayores a este escogido se depositaran en el desarenador. Las partículas a sedimentar están sometidas a dos movimientos:
Una traslación horizontal con una velocidad uniforme Va
Una traslación vertical con una velocidad Vs que corresponde a la velocidad de sedimentación de las partículas con diámetro ds.
Para encontrar la velocidad de descenso o sedimentación podemos recurrir a tablas de valores que están en función del diámetro de las partículas a sedimentar. Puede utilizarse el grafico CF4 para obtener las velocidades de descenso de las partículas mismo que considera el diámetro y peso específico del material.
S = s /
H2O
La longitud de transición podemos determinarla por:
Lt
B 2 - B1 2.tg12,5º
; no 12.5º
La longitud de cámara de desarenación se la calcula por: Ld k hm
Va Vs
K = Coeficiente de mayoracion que esta entre 1.20 y 1.50
Hm= Profundidad media en el deserenador
Va = Velocidad de avance horisontal entre 0.1 - 0.4 m/seg
Vs = Velocidad de cedimentacion vertical.
La velocidad de paso en el vertedero vertical no debe ser mayor a 1 m/s y el caudal de paso atraves del vertedero se la determina por Q = k.b.H
3/2
K = 2 /3 C d
2g
Cd = coeficiente de descarga, usualmente 0,62
b = Ancho necesario del vertedero para evacuar el caudal Q
H = Carga sobre el vertedero. 0.25
La conpuerta de lavado y su orificio sumergido se la diseña en borde .
Q = Cd. A.
2g.hi
Qevac = Cd.A . 2g.hi
Cd = 0,60
hi = Altura desde el centro del orificio al espejo de agua
4.CALCULOS Y DISEÑOS. Q=0.70 m3/s
Caudal requerido 3
ϒm=2.5 T/m
Peso específico del hormigón
d=0.3 mm
Diámetro de las arenas a retener
Va=0.20m/s2
Velocidad de translación horizontal
i=5%
Pendiente de solera
B1=1.5m
Entrada de caudal
B2=5m
Entrada de caudal más bifulcacion hasta el 12.5%
4,1.- CALCUL O DE LA LONGI TUD DE TRANSI CI ON (LT)
Lt
Lt
B 2 - B1 2.tg12,5º 5 - 1.5 2.tg12,5º
Lt=7.89 m
4.2.- CALCULO DE LA LONGITUD DE LA CAMARA (LD) Ld k hm
V a V s
Nos damos cuenta que para este cálculo nos hace falta hm y Vs para lo cual procedemos a calcularlos.
Calculo del caudal que va a pasar por la sección.
Q=A*V A=Q/V At=0.70/0.2 At=3.5 m2
4.3 SECCION TRANVERSAL AL INICIO DEL DESARENADOR
Como podemos observar en el dibujo tenemos 2 áreas por lo tanto At =A2+A1 de donde A2 es igual:
A2= ((2.5+1).1)/2 A2=1.75 m2 Como ya tenemos A2 y At procedemos a calcular A1 At =A2+A1 A1 =At-A2
A1=1.75 m2 Pero nuestro objetivo era calcular Hm para ello primero calculamos la altura de la sección al inicio del desarenador por lo tanto nuestra altura al inicio (hi) será igual: hi=1+ho Para obtener ho lo calculamos del A1. A1=2.5 *ho ho=1.75/2.5 ho=0.70 m la altura al inicio de la cámara será. hi=1+ho hi=1+0.70 hi=1.70 m Calculamos Vs lo cual lo obtenemos de la tabla de curvas (s) en dicha tabla en el eje de las abscisas entramos con el diámetro de la arena a retener. Subimos hasta encontrar nuestra curva s y a la izquierda en el eje de las coordenadas obtenemos el valor de Vs. Para obtener el valor de la curva s dividimos el peso específico de la arena para el peso específico del agua y obtenemos: S=ϒm/ϒH2O
S=2.5/1 S=2.5
Con este valor de S y teta=0.30mm obtenemos de la gráfica un Vs=0.04m/s. Con estos valores obtenidos previamente procedemos a calcular por tanteo la longitud del desarrollo del desarenador asumiendo en primer lugar que nuestro hm=1.70 m.
Primera Iteración . Ld k hm
V a V s
Ld 1.2 1.70
0.2 0.04
Ld=10.20 m
hf=hi+ (Ld*0.05) hf=1.70 + (10.20*0.05) hf=0.87 m
hm= (hf+hi)/2 hm= (0.87+1.70)/2 hm=1.29 m
Segunda Iteracción. Ld k hm
V a V s
Ld 1.2 1.29
0.2 0.04
Ld=7.74 m
hf=hi+(Ld*0.05) hf=1.70+(7.74*0.05) hf=2.09 m hm= (hf+hi)/2 hm=(2.09+1.70)/2 hm=1.90m
Tercera Iteración. Ld k hm
V a V s
Ld 1.2 1.90
0.2 0.04
Ld=11.4 m
hf=hi+ (Ld*0.05) hf=1.70+(11.4*0.05) hf=2.27 m hm=(hf+hi)/2 hm=(2.27+1.70)/2 hm=1.99 m
Cuarta interacion Ld k hm
V a V s
Ld 1.2 1.99
0.2 0.04
Ld=11.94 m
hf=hi+(Ld*0.05) hf=1.70+(11.94*0.05) hf=2.30 m
hm=(hf+hi)/2 hm=(2.30+1.70)/2 hm=2.00 m Entonces el diseño de la cámara tendrá las siguientes dimensiones: hi=1.70 m hm=2.00 m hf=2.30 m Lt=7.89m Ld=11.94 m
4.4 DISEÑO DEL VERTEDERO
El criterio básico para el vertedero de paso que debemos tomar en cuenta es su altura de carga (H) no superior a 25 cm. Para el cálculo nos valemos de la expresión:
Q= k*b*H^(3/2 ) b=
Cd= 0,6
2/3 Cd*
Q/k*H^(3/2 )
2/3 *0,6*
√
k= 1,8
h
b
0,25
3,16
0,2
4,42
0,23
3,58
4.5 DISEÑO DEL ORIFICIO DESARENADOR
Q = Cd . A . (2.g.ho)
Cd=0.60
CAUDAL DE EVACUACION=2 CAUDAL DE ENTRADA
A
2*Q 0.60 * 2 * g * Ho
(1)
A = Y*1 (2)
1 * Y
Y
2*Q 0.60 * 2 * g * Ho
2 *Q 0.6 *1* 2 * g * ho
(1) = (2)
Primera interacción: Asumo ho = hf = 2.30 m.
Y
2 * 0.70 0.6 *1* 2 * 9.81* 2.30
0.35m.
Segunda interacción:
Y
2 * 0.70 0.6 *1* 2 * 9.81* (2.30 0.18)
0.36m
0.36 m
Segunda iteracción:
Y
2 * 0.70 0.6 *1* 2 * 9.81* (2.30 0.18)
ANEXOS
ANEXO # 1
LOCALIZACION Y UBICACIÓN
ANEXO # 2
TOMA DE FONDO VISTA ISOMETRICA, PLANTA, CORTES
