6.-
Espesor del solado o colchón disipador Para resistir el efecto de la subpresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje que ocasiona la subpresión.
Fig. Efecto de la subpresión La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del solado debe ser mayor que la subpresión, es decir: Ws > Sp γ s . A . e > γ . h . A De donde: e = γ . h / γ s e = γ . h / (γ s- γ ) Ec. (13)
Corrección por saturación del suelo.
h = ∆ h – hf hf = ∆ h. (Sp / St) Donde: Sp;
camino de percolación parcial
St;
camino de percolación total
Recomendaciones: El espesor dado por Ec. (13), debe ser corregido por seguridad, se tiene así: e = (4/3).γ . h / (γ s- γ )
Se recomienda que e ≥ 0.90 m
7.-
Enrocado de Protección o Escollera Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado, con la finalidad de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.
Fig. Escollera al final del colchón disipador
CORTE 1-1
La longitud de escollera recomendada por Bligh es: Ls = Lt - Lc Lt = 0.67 C (Db . q) 1/2 Lc = 0.60 C D 11/2 Donde: C
:
coeficiente de Bligh (ver tabla)
Db
:
altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo del
colchón Disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m. q
:
avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero.
Lc
:
longitud del colchón.
D1
:
altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m.
CUADRO Material del lecho del cauce
Tamaño de grano (mm)
Coeficiente de Bligh
0.005 a 0.01
18
0.1 a 0.25
15
0.5 a 1
12
Arena fina y limo Arena fina Arena gruesa Grava y arena
8.-
9
Bolones y arena
4–6
Arcilla
6–7
Control de filtración El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de tubificación; este problema se agrava cuando el terreno es permeable. El Ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en la India, recomendando que el camino que recorre el agua por debajo del barraje vertedero (camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre los extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es decir: S ≥ C. ∆ h Donde: S C
: camino de percolación : coeficiente de Bligh
∆ h
: diferencia de nivel entre el nivel de aguas arriba y aguas abajo del barraje
vertedero (Ver figura).
Figura. Camino de Percolación Este criterio fue corregido por Lane después de observar casi 200 estructuras entre las que funcionaban bien y las que fallaron. Lane planteo la siguiente expresión: S = 1/3 ∑ L
H
+ ∑ LV > CL ∆ h
Donde: LH : suma de longitudes horizontales. LV : suma de longitudes verticales. CL : coeficiente de Lane (ver tabla). Se consideran como distancias verticales y horizontales las que tienen una inclinación mayor de 45° y menor de 45° respectivamente. CUADRO Material del lecho del cauce
Coeficiente de Lane
Arena muy fina o limo
8.5
Arena fina
7
Arena tamaño medio
6
Arena gruesa
5
Grava fina
4
Grava media
3.5
Grava gruesa
3.0
Bloques con grava
2.5
Arcilla plástica
3.0
Arcilla de consistencia media
2.0
Arcilla dura
1.8 1.6
Arcilla muy dura Es por este criterio que se busca alargar el camino de percolación de un dentellón aguas arriba y aguas abajo, manteniendo siempre una separación entre ellos, que debe ser mayor que el doble de la profundidad del dentellón más profundo. Asimismo; se acostumbra a poner un zampeado aguas arriba del vertedero, sobre todo cuando el suelo es permeable, con el fin de alargar el camino de percolación así como dar mayor resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de erosión, en
especial en épocas de avenidas. La longitud recomendada por la experiencia es tres veces la carga sobre la cresta.
Perfil del Barraje Vertedero de una Bocatoma
9.
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 de arrastre que se acumula delante de la ventana 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 lo 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. d 1/2 = 1.5 V Donde: Vo C d V
: es la velocidad requerida para iniciar el arrastre. : coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 para arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava. : diámetro del grano mayor. : velocidad de arrastre.
Gráfica de la Ecuación:
Relación entre Velocidad Requerida para el Arrastre y el Tamaño de Grano
Ancho del canal de limpia El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación: B = Qc / q q = Vc
3
/ g
Donde: B Qc q Vc g
: ancho del canal de limpia, en metros : caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m 3/s. : caudal por unidad de ancho, en m 3/s/m. : Velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s. : aceleración de la gravedad, en m/s 2 .
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 río.
b.
Velocidad en la zona de Limpia Se recomienda entre 1.5 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 la pendiente critica es: Ic = n2 .g10/9 / q2/9 Donde: Ic : pendiente critica. g : aceleración de la gravedad, en m/s 2. n : coeficiente de rugosidad de Manning. q : descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m 2/s. Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de la ventana de captación debe estar por debajo del umbral
de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas debajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador. 10.
Toma o Captación Criterios Generales Ya se ha definido la función del barraje vertedero y del canal de limpia; a continuación se tratará de la estructura de captación o toma, la cual está ubicada por lo general aguas arriba del barraje vertedero, siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea mínimo (lo ideal es el lado exterior de la parte cóncava de una curva). En lo que respecta a su cimentación es recomendable que el lugar elegido reúna condiciones favorables de geología (es preferible buscar roca para asentar la estructura), de topografía (que disponga de una cota suficientemente a fin de disminuir las obras complicadas), y de facilidad constructiva (objetivo básico para reducir los costos de construcción).
