CAPTACIÓN DE ALTA MONTAÑA POR: M.Cs. Ing. FRANCISCO HUAMAN VIDAURRE
I.- INTRODUCCIÓN El presente documento es la presentación del resultado de una investigación de diez años de contínuo trabajo y haber logrado una propuesta de diseño hidráulico consistente en las fórmulas y las gráficas - que toman en cuenta el efecto del barrage fijo-fusible y el flujo con sedimentos sedimentos para prototipos de captaciones de alta montaña. montaña. undamentalmente! este tipo de captación no permite la colmataci"n del bocal ubicado agua aguass arri arriba ba del del barra barrage ge!! toma toma en cuen cuenta ta la pend pendie ient nte e no hori horizo zont ntal al de la poza poza disipadora de energ#a energ#a en su diseño y deja sin efecto la longitud longitud de la curva de remanso para determinar la altura y la longitud longitud de muros de protecci"n de la obra. obra. II.- PARTES DE LA CAPTACION, FORMULAS Y GRAFICAS DE DISEÑO A) BARRAGE V2/2g Eje del barrage
Ho
H
Bocal
Z1
_ θ
x
Z2
1 Barrage
p
1
d’ b
ig. $.- %bicación del barrage y del bocal
&a función del barrage barrage es elevar el tirante tirante del flujo en el cauce. 'u e(presión hidráulica es la de un vertedor rectangular) * + ,.&. /01
21.$3
&a carga total 2 3 se e(presa en función de la carga estática 23 y la carga cin4tica 25101g3. H 0
= H +
V 2 2 g
21.13
&a velocidad media aguas arriba del barrage! tomando en cuenta que el fondo del cauce forma un ángulo con la horizontal! está dada por)
V
=
Q ( H + P )T − d 'b .Tanθ .T
21./3 _
P = x + h0 _
x
21.63
+ d b ´Tanθ + ∆h
_
21.73
= 0.5( x d + d 50 )
8onde)
* + caudal sobre el vertedor! m/0s , + coeficiente de descarga! descarga! que depende depende de la forma de la la ,resta. & + longitud del vertedor! vertedor! m 2igual al ancho ancho del río) 93. + carga total! aguas arriba del vertedor! m. 5 + velocidad velocidad media del flujo! m0s. + carga estática! aguas aguas arriba del barrage! barrage! m. : + altura del barrage!m. 9 + ancho del cauce! m. d;b + distancia entre el eje del barrage y el eje del bocal! m. + ángulo ángulo formado por la horizontal y el fondo longitudinal del cauce
∆h + p4rdida de energía por rejilla! m. 2mínimo $. cm3 _
+ tamaño tamaño medio medio de las rocas rocas 2mayo 2mayorr que que $.7 $.7 pulga pulgada das3 s3 que transporta el río! m. d 50 + tamaño medio de una muestra tamizada que contiene arena y grava hasta $.7 pulgadas de diámetro 2abertura de malla3. x d
Es recomendabl recomendable e que las muestras muestras de los canto rodados 2mínimo 2mínimo / piedras3 piedras3 y del material granular de menor tamaño 2 menor que que $.7<3 ! se obtengan de los sedimentos del cauce! ubicados en la pro(imidad del lugar donde se proyecta la captación. B)
BARRAGE FIO ! FUSIBLE
&a función del barrage fijo-fusible es elevar el tirante del flujo en el cauce y evitar la colmatación frente al bocal. 'e espera que el barrage fusible 2enrocado3 colapse por acci"n de una m=(ima avenida! permitiendo el paso de los sedimentos que transporta el r#o. El enrocado enrocado se vuelve vuelve a coloc colocar ar cuando cuando el nivel nivel de agua agua en el r#o r#o ha bajado bajado lo suficiente para colocar las rocas en forma manual.
V2/2g Eje del barrage
H$% H
Bocal
_ θ
x
Barrage fjo!f"#ble
p
d’ b
ig. 1.- >arrage fijo-fusible
El gasto que pasa sobre y a trav?s del barrage fijo-fusible! antes del colapso! est= dado por) * + ,@' . 9. @'/01
21.A3
8onde) * + descarga sobre y a trav4s del barrage fijo-fusible. ,@' + coeficiente de descarga del barrage fijo-fusible. 9 + longitud del barrage fijo-fusible. @' + carga hidráulica del barrage fijo-fusible. &a altura B:< del barrage fijo- fusible está dado por la e(presión 1.6. El coeficiente de descarga ,@' ha sido obtenido en forma e(perimental y se presenta en la fig./. COEFICIENTE DE DESCARGA(Cj s) PARA B ARRA GE FIJO-FUSIBLE DE CAPTACION DE ALTA M ONTAÑA. El valor ! Cjs !s ".# $ara %&'. *+s+ 0 " ' # 0 -./ '
Cjs, ''."% R , #./#0
'
" ' # #
#.1
.1
'
'.1
*
q (m3/s/m)
ig. /.- ,oeficiente de descarga para barrage fijo-fusible
&a geometría de la parte fija del barrage 2que ocupa la parte central del cauce3 es recomendable que sea trapezoidal y sus taludes deben contribuir a su estabilidad estructural 2 para un pre diseño puede emplearse un talud aguas arriba $)$ y un talud aguas abajo 1.7)$3. E" #n$%& '( "# $&&n# '( "# *#+( # debe ser .6m como mínimo. L# *#+( /s0"(, +#102n +#*(3&'#", '(0( +(n( /n #n$%& '( $&&n# 4A$) equivalente a ) x +d Cc + 1.5 21.D3 _
d
50
"ro de pro,ecc
Eje del barrage
le,a
Barrage "#ble 6ado#
d;b
Eje del r3o
Blo7"e#
Barrage jo
-oa d#padora
4
*
*6
6b
Eje del bocal Barrage "#ble
89pda
Bocal le,a "ro de pro,ecc
*+,ador de ga#,o
Eje del a,ecaal
ig. 6.- :artes de la captación con barrage fijo-fusible
C) BOCAL &a función del bocal es permitir el ingreso del agua desde el río hacia el canal. El caudal requerido B*o< que ingresa por el bocal! salvando un desnivel o grada! produce una carga hidráulica Bh o<. *b
:l :b :o
_
odo del ca"ce
x
ig. 7.- 8imensiones del bocal 2/&
h0
21.3
Qo = 0 . 5 g L b
&a longitud 2& b3 del bocal debe ser igual al ancho de la plantilla 2>3 del antecanal y la altura 2h b3debe estimarse con la e(presión 1.Fa y 1.Fb. hb + h G hl
21.Fa3
hl + ∆h G 7 a $ cm
21.Fb3
&a p4rdida por rejilla B ∆h Bse puede estimar con la siguiente e(presión) '/&
e ∆h = K E
V 12
21.$3
2 g
8onde) h + carga del bocal! m. *o + caudal de derivación! m /0s. g + aceleración de la gravedad terrestre! m0s 1 &b + longitud del bocal! m. ∆h + p4rdida por rejilla! m e + espesor de los barrotes !m. E + espaciamiento entre barrotes! m. :ara rejillas finas2 /0< a $<3 y para proteger a los peces! el valor de E es del orden de los / cm e incluso $ cm. H + factor que depende de la geometría de la sección transversal de los barrotes. 'i es rectangular el factor es 1.61! si es circular el factor es $.DF y si es elipsoidal el factor es .DA. 5$ + componente de la velocidad del flujo que forma un ángulo α con el eje del río! m0sI correspondiente a un gasto con período de retorno de $ año.
*3ea de eerg3a
8ejlla :o :b dc
-la,lla del a,ecaal
;o
_ odo del ca"ce
x
ig. A.- >ocal tipo grada
D) MUROS DE PROTECCION 'on muros laterales! perpendiculares al eje del barrageI su función es proteger principalmente al bocal contra los desbordes de avenidas y la erosión lateral del cauce
en ambas márgenes. &os muros necesitan e(tenderse hacia aguas arriba y hacia aguas abajo del barrage. &a longitud del muro de protección! hacia aguas arriba 2& % 3! se mide desde el eje del barrage hasta el bocal más un metro! hasta donde se inician las aletas. &% + 8b G &b01 G $
2en metros3
21.$$ a3
8onde) &% + longitud de los muros de protección aguas arriba del eje del barrage! m 8b + distancia entre el eje del barrage y una paralela a este que pase por el centro del bocal! m &b + longitud del bocal! m &a longitud del muro de protecci"n de aguas abajo 2& 8 3I se mide desde el pie del talud del barrage hasta el final del colchón de amortiguamiento más un metro! hasta el inicio de las aletas. Estas Jltimas se empotran en las riberas del río una longitud de $.7m! haciendo un ángulo de $1K con respecto al muro de protección. &8 + &d G $ 2en metros3 8onde)
21.$$ b3
&8 + &ongitud de los muros de protecci"n! aguas abajo! m &d + &ongitud de la poza disipadora! m
&a altura de los muros de protecci"n! aguas arriba del barrage! 2 %3 est= dada por) % + @' G p L dMb. tan
G blu
21.$13
8onde) % + altura de los muros de protección! aguas arriba del barrage! m. @' + carga hidráulica del barrage fijo-fusible! m. : + altura del barrage! m. dMb + distancia entre el eje del barrage y el eje del bocal! medido en el eje del río! m. θ + ángulo formado por la horizontal y el fondo longitudinal del cauce. blu + borde libre!m. 2.6 a .A m3 &a altura 28 3 del muro de protecci"n de aguas abajo depende de las características del flujo de la poza disipadora de energ#a! obtenida mediante ensayos de modelos hidr=ulicos a escala y sometido a flujo con sedimentos.
E3 PO5A DISIPADORA NO HORI5ONTAL
*6 C *d D 1.0
H6
=1
:d %o @ A
> =1
? :d *d
ig. D.- :oza disipadora de energ#a! con bloques! dados y muros de protecci"n
&a longitud &d se ha determinado en forma e(perimental dependiendo del tipo de poza 28istribución y tamaño de los bloques y dados3. &os resultados del modelo de una poza con pendiente de AN! que disipa el A7N de energ#a! permite dimensionar un prototipo con las siguientes e(presiones) - &ongitud de la poza. &d + &j G 1 y1
21.$/ a3
8onde &j y y1 se obtienen de gr=ficas.
10 y1 &
0.> T − 2 Nùmero bloques
=
2 hd 2 =1 /& 10 =1 /&
=1
:d 1.>:d
:d :d
:d
:d
:d :d :d
:d
Nùmero dados
ig. .- 8istribución de bloques y dados
&os valores de y$ y hd se obtienen de gr=ficas.
2 y1 &
T − 2
:d
=
2 hd
T)#n+( Y6 #" n$& '( "# *&3# y$ + .$E$/q - .A6 O1 + .F77D
.F .E .D .A ) 1.7 4 6 .6 :
./ .1 .$
$
1
/
6
7
7 4189s91)
ig. F.- 9irante y$ al inicio de la poza disipadora de energ#a
A"+/)# '( '#'&9+)#n+( #" n$& '( "# *&3 # N;1()& '( F)&/'(. hd0y $ + .61FD F6 G .6/ O1 + .EEE6
/ 1.7 1 6 : 9 ' $.7 %
$ .7
$
1
/
6
7
F6
ig. $.- Cltura de los bloques y de los dados de la poza disipadora.
A
L&ng+/' '(" )(s#"+&9+)#n+( 1(n&)- N;1()& '( F)&/'( &j0y$ + /.EA1F F6 - .ED 1
O + .F17F
17 1 6 : 9 . L
$7 $ 7
$
1
/
6
7
A
F6
ig. $$.- &ongitud del resalto hidr=ulico 2&j3 en la poza
- Cltura de los muros de protecci"n de la poza H D
F 12 =1.10 − y2 + bl 20
21.$63
8onde) $ + PQmero de roude para la profundidad y $ 2profundidad del flujo al inicio de la poza3 y1 + :rofundidad de flujo mayor en la poza. 'e obtiene de gr=fica bl + ./6 2v $ G y1 3 V 1
=
21.$73
Q
21.$A3
y1 T
T)#n+( 1#:&)9+)#n+( 1(n&) - N;1() & '( F)&/'( #" n$& '( "# *&3# y10y$ + .AF7A F6 G .A77 1
O + .E/A
A 7 6 6 : 9 < :
/ 1 $
$
1
/
6
F6
ig. $1.- 9irante mayor 2y13 en la poza
7
A
- Cltura del umbral de la poza R + $.$7 2y1 - c 3
21.$D.a3
2
H c
Q & T =
21.$D.b3
g
8onde) c * 9 g
+ :rofundidad cr#tica del flujo! m + S=(ima avenida! m/0s + Cncho del r#o! m + F.$ m0s1
L"&#'(&s.- 'on tubos colocados en la losa de la poza disipadora de energ#a para reducir la subpresi"n. :ueden ser de 6< de diámetro! colocados cada $.7 m " de /< de diámetro colocados cada $. m! en hilera y en todo el ancho de la poza.
*loradero# colocado# a */5 = a */2 e :lera
F
*dC log,"d de poa d#padora
ig. $/ .- %bicación de aliviaderos de subpresi"n
*d
G?:2 G?:1
G?:& 2C( G? )(0.2) (:&!:2)
1C( G? )(0.2) (:1!:2) *d/5
*d/2
ig. $6 .- :risma de presiones de la subpresi"n! con aliviaderos
F) LIMITADOR DE GASTO En una avenida el bocal trabaja como un orificio de fondo! con una descarga * eo mayor que el caudal de dotación * d del proyecto.
H
%$Bocal #"+ergdo H
alla barrage f"#ble
alla barrage f"#ble ;eo Barrage fjo
0.1 4
0.1 4
4
ig. $7.- ,ondiciones del barrage fijo-fusible para una m=(ima avenida
:r
8e#al,o :dr9"lco
*+,ador de ga#,o
*+,ador de ga#,o
Hr
: b/2
d1
;eo d2
;eo
d
_
x
ig.$A.- %bicación del limitador de gasto. ,aso 2$3) ,erca del bocal y aguas abajo del resalto hidr=ulico3. ,aso 213 ) &ejos del bocal con flujo normal y subcr#tico en el antecanal.
&a función del limitador de gasto es reducir el gasto * eo en una cantidad * v y evacuarla al río. El gasto *eo se estima con la e(presión 1.$Fa 1.5 1.5 hb hb = 2.&I LHb hr + − hr − 2 2
Qe0
Lb − E +1 E + φ
21.$Fa3
L 'b = E
21.$Fb3
− h ' = + − θ + hr H JS ! d b Tan + b 2
21.$Fc3
8onde) *eo + gasto en má(imas avenidas que ingresa por el bocal! m /0s. &Tb + longitud efectiva del bocal por la presencia de la rejilla cuyos barrotes paralelos están separados una distancia BE
hr +
2
= d 1 + 0.05A
2 Qeo
21.13
d 12 . L2b Qeo
d 2
=
Qeo
( 2
d 1
1 + > F 1
2
− 1)K donde J F 1 =
= 1 "# 2 / & S 1 / 2 n
d 1. Lb
21.1$3
g .d 1
21.113
&as dimensiones mínimas del limitador de gasto est=n dadas por la e(presión 1.1/. En dicha e(presi"n *v es la diferencia entre * eo y *d.
El coeficiente m+ .1 2para pared gruesa con aristas vivas! m+ .// 2 para pared gruesa redondeada3. Q$
= m. L$ .
2.5 2 h$21.5 − h$o 2 g 5 h h − $1 $o
21.1/3
8onde) m + coeficiente que depende de la forma de la cresta &v + longitud de la cresta del limitador de gasto! m g + F.$ m0s1 hvo + carga hidráulica menor! aguas arriba! m hv$ + carga hidráulica mayor! aguas abajo! m :ara el caso 2$3! la altura del umbral está dada por la e(presión 1.16a ! a
=
& '
d n
21.16a3
8onde) dn + profundidad normal promedio del flujo! para los caudales el antecanal con ancho &bI es decir)
d n
=
d eo + d d 2
*d y *eo en
21.16b3
8onde) deo + profundidad normal para el caudal *eo dd + profundidad normal para el caudal *d. :ara el caso 213 la altura del umbral B p a B de la cresta del vertedor! respecto a la plantilla del antecanal! por lo menos debe ser igual al tirante normal para un gasto equivalente al de dotación del proyecto. En cualquier caso! la altura total sobre la cresta del limitador de gasto es) cv + hv$ G .$7 I en metros
21.173
;L
89pda
B
odo de la poa
0.15
HcL :L1
;eo
;d
pa
%
*L
ig. $D.- &imitador de gasto
III PAR=METROS DE DISEÑO DE LA CAPTACIÓN &os parámetros que deben ser utilizados en el diseño de captaciones con barrage fijofusible se obtienen del cauce del lecho del río y del canal de derivación! además de los estudios hidrológicos respectivos del proyecto. En el cuadro $! se muestran los parámetros obtenidos para una captación de un río de montaña de ,ajamarca. ,uadro $. :arámetros de diseño :COUSE9O 5C&VO V>9EPW8V V 2%nid.3 Xd 2cm3 /. d7 2mm3 $7. ' 2m0m3 .1 9 2m3 1$. n ./7 ' 2m0m3 .1 *d 2m/0s3 .7 / *$ 2m 0s3 7. db M 2m3 /. * 2m/0s3 A6. α 2 o 3 /D.
IV EEMPLO DE DISEÑO >.6 DISEÑO DEL BOCAL &ongitud del bocal 2&b3) &b + .m 2 valor adoptado igual al ancho del antecanal3. %n valor inicial puede ser el doble de la plantilla del canal principal 2generalmente de forma trapezoidal3 que! se ubica a continuación del limitador de gasto.
Cltura del bocal 2hb3) 2/&
0.50 = 0.51m = 0.5 x I.>1 x 0.>0
h0
2
hl
5 x%os&NM /& 0.01A 21.00 x0.51 = 1.NI + 0.10 = 0.11m 2 xI.>1 0.0&
hb + .7$G .$$ + .A1 m :ara la rejilla del bocal se consideraron barras de acero corrugado! de 70< de diámetro! espaciadas / cm. !
− D(sn?(" '( "# g#'#
−
+ .7 2./ G .$73 + .$A m
>.< DISEÑO DEL BARRAGE FIO-FUSIBLE !
A"+/# '(" 0##g( &-/s0"( 4*):
: + .72 ./G.$73 G .7$ G /.(.1 G .7 + .DA m !
An$%& '( $&&n# 4A$):
Cc + $.7 2./ G .$7 3 + .6D m !
T#"/'(s '(" 0##g( &)
Cguas arriba + $)$ Cguas abajo + $)1.7 !
T#"/'(s '(" 0##g( /s0"(:
Cguas arriba + $)$ Cguas abajo + $)1 >.8 DISEÑO DE LOS MUROS DE PROTECCION DE AGUAS ARRIBA !
C#g# %'@/"$# '(" 0##g( &-/s0"( 4 HS): 2/&
H JS
!
A.0 = .0 x 21.0
=0.>& m
A"+/# '( "&s 1/&s '( *&+($$n, #g/#s #0# '(" 0##g( 4HU):
% + ./ G .DA L /.(.1 G .6 + $.F$ m !
!
L&ng+/' '( "&s 1/&s '( *&+($$n, #g/#s #0# '(" 0##g( 4LU) :
Db
= 0.N + 0.NA + 0.>0 =1.0
L&
= 1.0 +
2
2
0.>0 2
+1.0 = 2.>0 m
L&ng+/' '( "#s #"(+#s) 'e adopta una longitud de $.7m
>.> DISEÑO DE LA PO5A DISIPADORA DE ENERGIA !
An$%& '( "# *&3# 9 + 1$. m
!
L&ng+/' '( "# *&3# &d + 7 G 1 2$.1F3 + D.A m
!
D1(nsn n;1(& '( 0"&7/(s
10 blo7"e# de d+e#oe#J
01 blo7"e de d+e#oe#J 1.25 +
1.25 + 0.5+ 0.5+ 0.A0 +
2.'0 +
!
D1(nsn n;1(& '( '#'&s
1A dado# de d+e#oe#J
01 OdadoP ce,ral de d+e#oe#J
0.A0 + 0.A0 + 0.A0 + 0.A0 +
1.1' + 0.A0 +
a cada lado del eje del r3o
ig. $.- Elementos disipadores de energ#a diseñados
!
A"+/# '(" /10#"
R + ./A m !
%bicación de lloraderos a partir del pie del talud del barrege fijo
:rimera fila a la distancia) &d07 + $.71 m 'egunda fila a la distancia ) &d01 + /. m 8iámetro de lloraderos) /< 'eparaci"n de lloraderos entre ejes) $. m PQmero de lloraderos de la primera fila) 1$ tubos de 1. cm de largo. PQmero de lloraderos de la segunda fila) 1$ tubos de 1. cm de largo.
&P 1.0 +
ig. $F.- 'eparaci"n y diámetro de lloraderos
>. DISEÑO DE LOS MUROS DE PROTECCIÓN DE AGUAS ABAO - L&ng+/' '( "&s 1/&s '( *&+($$n '( "# *&3#: &8 + D.A G $. + .A m - A"+/# '( "&s 1/&s '( *&+($$n '( "# *&3#) 8 + .F$ G .1/ + $.$6 m !
L&ng+/' '( "#s #"(+#s) 'e adopta una longitud de $.7m
>. DISEÑO DEL LIMITADOR DE GASTO &as características geomorfológicas de la zona permiten ubicar al limitador de gasto cerca del bocal para evacuar el e(ceso del caudal hacia un lugar ubicado aguas abajo del barrage. !
U0$#$n '(" "1+#'& '( g#s+&: Es importante estimar la distancia mínima que debe e(istir entre el bocal y el inicio del limitador de gasto.
0.>0 − 0.0& +1 = 0.5& m 0.0& + 0.01A
L´b = 0.0&
hr = 0.>& + 0.NA − (&.00 x0.02> + 0.1A +
0.A2 2
)
= 1.0 m
1.5 1. 5 0.A2 0.A2 Qeo = 2.&I x 0.5&1.0 + − 1.0 − =1.20 m & / s 2 2
1.0' + 0.&1 = d 1
+ 0.05A
(1.20) 2 d 12 (0.>0) 2
Oesolviendo la e(presión anterior se obtiene d $ + ./A m 1.20 F 1
=
d 2
=
0.&A x 0.>0 I.>1 x 0.&A
0.&A 2
(
=2.22
1 + > x (2.22) 2
−1) =
0.IA m
&ongitud del resalto) &r + A 2.FA L ./A3 + /.A m Este resultado de la longitud del resalto hidráulico indica que el limitador de gasto deberá ubicarse a D. m 2apro(imadamente el doble de &r3 del bocal. !
C#/'#" '(" "1+#'& '( g#s+& 4? ): *v +$.1 L .7 + .D m/ 0s
!
L&ng+/' '(" "1+#'& '( g#s+& 4L?): 1.20 F = 0.IA x 0.>0 I.>1 x 0.IA
= 0.51 Y $
2PJmero de froude al llegar al limitador de
gasto3 0.N0
= 0.2> L$
2 xI.>1
2 (0.0) 2.5 5
− (0.&0) 2.5 0.10
8e donde resulta &v + 1.D1 m - A"+/# '( $(s+# '(" "1+#'& '( g#s+& 4H$?): cv+ .6 G .$7 + .77 m - A"+/# '( /10#" '(" "1+#'& '( g#s+& 4*# ): allando el tirante d d para) *d +.7 m / 0s! C+. dd ! '+.1! n+.$7! con la fórmula de SanningI se obtiene d d +.7Am.
allando el tirante d eo para) *eo + $.1 m/ 0s! C+.deo n+.$7! con la fórmula de SanningI se obtiene d eo +$.$/ m . 1.1& + 0.5A
d n
=
! a
& = 0.>5 = 0.A& m
2
! '+.1!
= 0.>5 m
'e debe cumplir que pa G hv$ Z d1 y pa [ dd .A/G.6+ $./m \ .FA m 2 no cumple la relación anterior3 En conveniente reducir el valor de p a hasta .7Am) .7A G.6Y .FA 2si cumple3 Entonces) pa + .7Am !
P&/n''#' '(" #n+($#n#" 4*): :f+ $./ 2altura del umbral del limitador de gasto G altura de cresta del limitador de gasto3 :f+ $./ 2.7AG.773 + $.66m 2profundidad del antecanal desde el bocal hasta el limitador de gasto inclusive.
V RESULTADOS DEL DISEÑO HIDRAULICO DE LA CAPTACION 8e los valores obtenidos! se adoptan dimensiones constructivas. ,uadro 1. 8imensiones de la captaci"n :CO9E 8E &C ,C:9C,W]P 8WSEP'WVP >COOC^E W@V-%'W>&E &ong. :arte fusible 2cada costado3 &ong. :arte fija Cltura Cncho corona 2fusible3 9alud aguas arriba 9alud aguas abajo Cncho corona 2fija3 9alud aguas arriba 9alud aguas abajo >V,C& &ongitud Cltura 8i=metro de varillas de rejilla Espaciamiento de varillas de rejilla ^OC8C 8esnivel S%OV' 8E :OV9E,,W]P 8E C^%C' COOW>C Cltura &ongitud
:V_C 8W'W:C8VOC EPEO^WC &ongitud Cncho :rofundidad >loque 8ado
8E
S%OV' 8E :OV9E,,W]P 8E C^%C' C>C@V Cltura &ongitud &WSW9C8VO 8E ^C'9V &ongitud Cltura de cresta Cltura de umbral VI PROFUNDIDAD DE CIMENTACION
En una captación de alta montaña tanto el barrage como los muros de protecci"n! se cimentan en el cauce de un r#o. En m=(imas avenidas se eleva el tirante hidr=ulico y la fuerzas hidrodin=micas se e(tienden hasta una profundidad bajo el cauce. Es necesario entonces estimar la profundidad a la cual una estructura se debe cimentar sin someterse al movimiento del suelo debido a la fuerza del agua. .6 CALCULO DEL TIRANTE :ara obtener el tirante en el lugar donde se ubicará la captaci"n! se asume la sección del río como rectangularI luego! conociendo el caudal y aplicando la fórmula de Sanning se determina el tirante. 2/& T y T y 1/ 2 Q= 2A.$3 S n T 2 y + 8onde) * + caudal m/0s C + =rea! m1 9 + ancho del cauce! m n + coeficiente de rugosidad de Sanning ' + pendiente del cauce! m0m .< PROFUNDIDAD DE SOCAVACION Es aquella que se produce en todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida! *! debido al efecto hidráulico sobre los s"lidos. :ara la determinación de la socavación general se empleará el criterio de &ischtvan &ebediev) 5elocidad erosiva! que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo del cauce y está dada por las siguientes e(presiones) a3 :ara suelos cohesivos 5e + .A $.$ ` s(
2A.13
b3 :ara suelos granulares 5e + .A dm .1 s(
2A./3
8onde) 5e + velocidad m#nima necesaria para degradar el cauce! m0s ` + peso volum4trico de la muestra seca! 9n0m / + coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia. dm + diámetro medio de los granos del fondo del cauce! mm ( + e(ponente variable que tiene diferente valor en cada una de las f"rmulas. :ara suelos cohesivos depende del peso volum?trico `! y para no cohesivos depende de dm.
T
Hs
Ho=y
%"perfce del ca"ce Frontera de socavaciòn
ig. 1$.- 9irante y profundidad de socavaci"n de un cauce
s + :rofundidad medida despu4s de producirse la socavaci"n del fondo. 'e mide desde la superficie del agua hasta el nivel del fondo erosionado! m :ara suelos cohesivos homog?neos ) 1
Hs
α H + = 0.A0 β γ 5/ & o 1.1>
1 x
2A.63
:ara suelos granulares homog?neos )
Hs
α H = 0.A> β d m 0.2> 5/& o
&a e(presión de )
1 1+ x
2A.73
Q α = 5 / & H m T µ
2A.A3 8onde) * + gasto m=(imo de diseño! m/0s 9 + ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal! m + coeficiente que toma en cuenta el efecto de contracción producido por las pilas en caso de e(istir un puente. m + profundidad media de la sección que se obtiene dividiendo el =rea hidr=ulica entre el ancho efectivo! m
,uadro /. ,oeficiente de contracción Veloc. eda e la #eccQ (+/#) R1 1.00 1.50 2.00 2.50 &.00 &.50 S'.00
*og,"d lbre 10 1.00 0.IA 0.I' 0.I& 0.I0 0.>I 0.>N 0.>5
1& 1.00 0.IN 0.IA 0.I' 0.I& 0.I1 0.I0 0.>I
1A 1.00 0.I> 0.IN 0.I5 0.I' 0.I& 0.I2 0.I1
1> 1.00 0.II 0.IN 0.IA 0.I5 0.I' 0.I& 0.I2
21 1.00 0.II 0.IN 0.IN 0.IA 0.I5 0.I' 0.I&
e,re
do#
e#,rb o#
25 1.00 0.II 0.I> 0.IN 0.IA 0.IA 0.I5 0.I'
&0 1.00 1.00 0.II 0.I> 0.IN 0.IA 0.IA 0.I5
'2 1.00 1.00 0.II 0.I> 0.I> 0.IN 0.IN 0.IA
52 1.00 1.00 0.II 0.II 0.I> 0.I> 0.I> 0.IN
(+) A& 1.00 1.00 0.II 0.II 0.II 0.I> 0.I> 0.I>
10A 1.00 1.00 1.00 0.II 0.II 0.II 0.II 0.II
,uadro 6. 5alores del coeficiente -er3odo de re,oro del ga#,o de d#eTo ( aTo# ) 2 5 10 20 50 100 500
2 0.>A 0.I0 0.I' 0.IN 1.00 1.05
,uadro 7. valores de X %"elo# co:e#Lo# (4/+&) 0.>0 0.52 0.>& 0.51 0.>A 0.50 0.>> 0.'I 0.I0 0.'> 0.I& 0.'N
%"elo# gra"lare# d+ (++) 0.05 0.'& 0.15 0.'2 0.50 0.'1 1.00 0.'0 1.50 0.&I 2.50 0.&>
12' 1.00 1.00 1.00 0.II 0.II 0.II 0.II 0.II
200 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.II 0.II 0.II
0.IA 0.I> 1.00 1.0' 1.0> 1.12 1.1A 1.20 1.2' 1.2> 1.&' 1.'0 1.'A 1.52 1.5> 1.A' 1.N1 1.>0 1.>I 2.00
0.'A 0.'5 0.'' 0.'& 0.'2 0.'1 0.'0 0.&I 0.&> 0.&N 0.&A 0.&5 0.&' 0.&& 0.&2 0.&1 0.&0 0.2I 0.2> 0.2N
'.00 A.00 >.00 10.00 15.00 20.00 25.00 '0.00 A0.00 I0.00 1'0.00 1I0.00 250.00 &10.00 &N0.00 '50.00 5N0.00 N50.00 1000.00
0.&N 0.&A 0.&5 0.&' 0.&& 0.&2 0.&1 0.&0 0.2I 0.2> 0.2N 0.2A 0.25 0.2' 0.2& 0.22 0.21 0.20 0.1I
.8 PROFUNDIDAD DE CIMENTACION
VII FUERZAS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL
&as diferentes partes de la captación est=n sometidas a las siguientes bfuerzas) .6 PESO PROPIO &os materiales m=s comunes en la construcci"n de captaciones de alta montaña son los siguientes) ,uadro A. :eso volum?trico de algunos materiales Saterial Samposter#a ,oncreto simple ,oncreto armado ,oncreto cicl"peo Enrocamiento acomodado Enrocamiento a volteo Crcilla hQmeda Crena y grava
:eso volum?trico 2g0m/3 1. 11. 16. 11. $. $. 1$. $A.
.< FUER5A HIDROSTATICA 'e considerar= la presi"n del agua actuante sobre el paramento de aguas arriba del barrage! sobre la superficie de muros que conducen agua. &a magnitud de la fuerza de subpresi"n que originan las filtraciones en una cortina para derivación! se pueden calcular mediante redes de flujo o asumiendo una distribución triangular o trapecial de presiones. .8 EMPUE DE TIERRAS O SEDIMENTOS
8espu?s de construir un muro de contenci"n! el suelo que constituye el relleno! de peso espec#fico ` ! altura t! ocasiona un empuje activo C! dado por la siguiente e(presión) F "
φ 1 = γ H ' 2 ,a 2 5M − 2 2
El empuje debido a los azolves y acarreos se determina en forma apro(imada segQn la e(presión) E '
φ = 1 γ ' h' 2 ,a 2 5M − 2 2
8onde) Et + empuje activo de sedimentos! g ht + espesor de sedimentos! m + =ngulo de fricci"n interna 2 + /6K para grava y arena3 ` + ;`s L ` 2$ L H 3 En la que) `s + peso volum?trico seco de los acarreos! g0m / ` + $ g0m/ H + porciento de vac#os de los acarreos. ,omJnmente H + ./3 Es frecuente no contar con datos relativos a las caracter#stica de los dep"sitos! como son) peso volum?trico! =ngulo de reposo! etc. 'e ha adoptado para efectos de presi"n un peso volum?trico de $/A g0m / y para componente vertical o peso de acarreos un valor de $F g0m / VIII ESPESOR DE UN DELANTAL Y DE LA PO5A DISIPADORA El espesor de delantales! zampeados! pozas disipadoras de energ#a o similares! de los mismos se determina verificando que su peso! en cualquier punto! sea por lo menos igual al valor de la subpresi"n en dicho punto. :ara fines pr=cticos! por razones de seguridad se acostumbra que el peso de la losa sea mayor que el valor de la subpresi"n! y se ha adoptado que guarden una proporción de 60/! para las condiciones m=s cr#ticas. El espesor se determina segQn) e
S −h γ = x x ( γ &
8onde) e + espesor de la losa! m '( + subpresi"n en la secci"n considerada! en un ancho unitario! g0m 1 h( + tirante de agua sobre la losa en la secci"n considerada! m ` + $ g0m/ ` + peso volum?trico del material de la losa! g0m /
:*C:2
:1
:& B
0
<
5
1 2
N
'
12 11
>.5 a
2.5
6
5.&
b
&as redes de flujo solamente se pueden trazar en suelos isotr"picos. 'in embargo es fácil obtener la diferencia direccional en suelos anisotr"picos y transformarlos en suelos isotr"picos haciendo una transformación de escala en la direcci"n de la estratificación del suelo de cimentación por donde filtra el agua. :or ejemplo si los estratos est=n ubicados en direcci"n horizontal! la permeabilidad en esa direcci"n ser= ( ! mientras que la permeabilidad en la direcci"n perpendicular ser= y. Entonces el campo de flujo anisotr"pico de transforma en un isotr"pico cambiando las dimensiones horizontales segQn la raz"n 2 (0y3$01 . &a subpresi"n 2 ' C! en g0m13 a la profundidad _ C estar= dada por) S "
2 = h1 + ) " − hL 1000 12
&a subpresi"n en el punto ,< S %
>.5 = h1 + ) % − hL 1000 12
El gradiente en cualquier elemento de la red de flujo 2secci"n real del campo de flujo3 est= dado por) h L *
=
N d b
8onde) i + gradiente hidr=ulico en un elemento de la red de flujo h& + p?rdida de carga total del sistema! m Pd + nQmero de ca#das de equipotencial del sistema b + recorrido m#nimo del agua en el elemento de la red de flujo considerado! m I CONDICIONES DE ESTABILIDAD
El barrage fijo se trata como una cortina r#gida. a3 Estabilidad contra el volteo 9eóricamente se evita! pasando la resultante dentro de la baseI sin embargo se aconseja que caiga dentro del tercio medio de esa o bien que el cociente de dividir la suma de los momentos de las fuerzas verticales 2 S v3 entre la suma de los momentos de las fuerzas horizontales 2 S 3 sea igual o mayor que el coeficiente de seguridad que se adopte.
∑momen'os ,uer+as $er'*cales ≥1.5 ∑momen'os ,uer+as hor*+on'al es b3 Estabilidad contra el deslizamiento 'e evitar= esta falla cuando el coeficiente de fricci"n de los materiales en contacto! sea mayor que el coeficiente de dividir las fuerzas horizontales entre las verticales que actQan en la estructura. En la pr=ctica se acostumbra que)
∑ ,uer+as $er'*cales ≥2.5 ∑ ,uer+as hor*+on'al es c3 Esfuerzo de los materiales 'e puede presentar una falla en los materiales cuando los esfuerzos a que est?n trabajando! sean mayores que los especificados como admisibles para ellos. REACCION DEL TERRENO DE FUNDACION :ara que e(ista estabilidad del barrage! bajo cualquier condici"n de fuerzas horizontales y verticales! que actQan en ella! se deber= oponer otra producida por la reacción del terreno! que deber= ser igual y contraria a la resultante de las fuerzas actuantes. El terreno deber= tener capacidad de carga mayor a la solicitada. El empuje generado por las subpresi"n se determina con respecto a un plano horizontal que pasa por la cota m=s baja de la cimentación del barrage.
:1
Barrage fjo ZB Z
B
%
-r#+a de #"bpre#oe#
%B
WX
*
El esfuerzo normal vertical al que se somete el terreno de fundaci"n en un plano de longitud & y de ancho unitario! horizontal! est= dado por las siguientes e(presiones) En el paramento de aguas arriba) σ "
V Ae = ∑ 1 − L L
En el paramento de aguas abajo) σ -
V = ∑ 1 + L
Ae L
8onde) 5 + suma de fuerzas verticales! e(cluye el empuje debido a la subpresi"n! g e + e(centricidad de la fuerza resultante! m e + S 0 5 S + suma de los momentos determinados con respecto al centroide del plano de longitud &. &a reacción en el terreno de fundaci"n ser=) En el paramento de aguas arriba) O C + C L ' C En el paramento de aguas abajo) O> + > L '>
