DISEÑO AZUD DERIVADOR

D) Diseño del azud azud derivador derivador En las obras de toma tirolesa, el factor de costo y construcción del azud es menor a la de una toma convencional, esto debido a su pequeña altura que oscila entre los 20 y 60 cm. Esto también permite que las piedras pasen fácilmente fácilmente por encima del azud azud y a su vez disminuir la lonitud del zampeado o colc!ón disipador. El aua del r"o que que no es captada captada por la toma tirolesa se vierte por encima encima del azud construido en el lec!o del r"o. Es por ello que, con la finalidad de aumentar  su coeficiente de descara, el azud debe tener, en lo posible, un perfil !idráulico, en lo preferible un perfil #reaer.

D.1) Diseño hidráulico hidráulico perfil perfil tipo Creager $ara $ara diseñ diseñar ar el azud azud de perfi perfill #rea #reae err, prime primera rame ment nte e se esta establ blec ecen en los los siuientes términos se%n la fiura &.

Figura Nro. 3.8: Tr!i"os ge"erales de u" azud derivador 

'uente( Elaboración $ropia )o * Es la ener"a especifica o cara total considerando la velocidad +m )d * Es la altura de cara por encima del umbral del vertedero sin considerar  velocidad +m )v * -ltura de velocidad por encima de la cara !d +m c * /irante cr"tico que se produce en la sección de control del azud +m $ * -ltura del azud azud o paramento auas arriba +m El cálculo del tirante cr"tico en el sector de control del azud se lo puede calcular  con la siuiente fórmula asumiendo una sección rectanular del r"o(

Yc =

√∗

Qmax

3

g Br

2

2

má1 * #audal má1imo del r"o +m3s 4r * -nc!o del azud o del r"o +m 5ueo se puede calcular la ener"a espec"fica +)o, se%n investiaciones del +.7.4.89, este valor puede ser determinado como(

1#3 $c % &o % 1#' $c  -ceptando un promedio de ambos valores e1tremos. #on la cara total definida se puede calcular la altura de cara de lámina de aua sobre la cresta del vertedero o altura de diseño +)d con la ecuación de ener"a o 4ernoulli, que es la necesaria para el cálculo del perfil #reaer(  Hd = Ho − Hv

:onde( )v * ;r 232 5a velocidad del r"o +;r, se puede calcular con la ecuación de continuidad, teniendo como dato el caudal má1imo en la corriente, y de
Q Q =  Ar Br∗ Hd

D1.1) Coode"adas Creager  5a ecuación eneral para definir la trayectoria del perfil #reaer para un paramento vertical es( 1,85

Y =

−0,5∗ X 

 H d

0,85

:onde,  y =, ordenada y abscisa respectivamente como se ve en la ráfica en la siuiente fiura(

1 nited 7tates 4ureau of 8eclamation, >:iseño de presas pequeñas? +2.00@

Figura Nro. 3.(: zud perfil Creager 

'uente( Elaboración $ropia $ara definir los parámetros de la fiura anterior, se tienen las siuientes ecuaciones matemáticas( =c * 0,2&A)d B c * 0,926A)d 89 * 0,C0A )d B 82 * 0,2DA)d  -!ora, se puede calcular el coeficiente de descara para el azud que traba
Figura 3.1*: Coeficie"tes de descarga +Co) e" azud de pared vertical

Fue"te: ,ro-ecto de presas peueñas +/.0..2)

Entrando en la ráfica con la relación $3)o, datos ya conocidos se apro1ima #o para el sistema métrico. 5ueo se aplica la fórmula eneral para vertederos( 3

Q= Co∗ L∗ Ho 2

:onde( 5 * 4r * anc!o del azud +m.  * #audal de derivación del vertedero +m3s Este caudal calculado en lo posible tiene que ser mayor al caudal má1imo. Q >Q m á x

D.) Diseño estructural del azud. D..1) ltura de 0ocavaci4" 7e denomina socavación a la e1cavación profunda causada por el aua, puede deberse al embate de las olas o a los remolinos producidos donde encuentren al%n obstáculo. na fórmula muy usada para encontrar la altura de socavación en r"os, es la fórmula de 5acey(

( ) 2

 Ds=1,35∗

q  F 

1 3

Ds = Profundidad de socavación por debajo de la supercie del agua de la máxima crecida (m) q

= caudal unitario del caudal de máximas crecidas (

!

= !actor de "ace#$ obtenidos de la siguiente tabla%

m

3

 sm)

Ta5la Nro.3.3: Factor de 6ace7aterial

F

8ocas aciza 8ocas $edrones y la
D0 & 20 6 D,@ 9,C2 9,0 0,&C

'uente( $royecto de presas pequeñas +.7.4.8 7e%n 5acey, !ay que multiplicar un coeficiente de corrección +Fsa a la profundidad de socavación, este coeficiente se lo toma de la siuiente tabla(

Ta5la Nro. 3.: Factor 9sa e" fu"ci4" de las caractersticas del cauce /5icaci4" ;5ra de To!a

9sa

/ramo 8ecto3curva moderada 9,C  -nulos rectos3curva 2,0 pronunciada  -uas arriba de pilas 2,0  -uas arriba deflectores 2,C +aviones 'uente( $royecto de presas pequeñas +.7.4.8 Entonces la profundidad se puede calcular de la siuiente manera(

dsa < 9sa=Ds > $!a? dsa * $rofundidad de socavación +m ma1 * /irante má1imo de crecidas +m

D..) @sta5ilidad de la estructura $ara el diseño de la estabilidad del azud, se considera el caso en condiciones e1tremas de cara, la cual corresponde al nivel má1imo de aua para el caudal de creciente de diseño, empu 7e determinará tomando en cuenta el área de cada sección determinada en el muro, multiplicado el peso espec"fico del materia utilizado por unidad de anc!o, es decir( $v * -A * $eso especifico del !ormión * +2, tn3 m

3



- * -rea de la sección correspondiente de la estructura + m

2



b ,resi4" hidrostática.> Esta se considera que act%a sobre el paramento auas arriba +Ea9 y sobre el paramento auas aba
(

 Ea 1 =

 E 1 + E 2 2

)∗(

 HT − Hd )

 E 1=¿ gGA)d

y

E2 * gGA)/

Ea9* Empu
)d

* -ltura de aua, correspondiente encima azud +m

)/ * -ltura de sedimentos mas altura del aua encima de cresta +m El punto de aplicación de esta cara está localizado en el centro de ravedad del trapecio de presiones( Cg=

h 3

(

∗

2∗ E 1 + E 2

 E 1+ E 2

)

$ara el paramento de auas aba
(

 Ea 2 =

Y  1 + h 1 2

∗γw

)

Ea2 * Empu
c 6a su5presi4".> Es una presión debida al aua de filtración que act%a en la cimentación de la cortina con sentido de aba
7etodo 6a"e: $ara calcular la subpresion en cualquier punto 1, se%n 5ane(

(

)

 l Spx =  Hx − ∗ H  ∗ ¿ gw  L

:onde( 7p1 * 'uerza de subpresión en un punto 1 +/n3m2 l1 * 5onitud de recorrido desde el orien de infiltración !asta el punto considerado +m

5

* 5onitud #ompensada +m

G * $eso espec"fico del aua * 9 tn3 m )1

3

* -ltura desde el aua, auas arriba !asta el punto considerado +m

)

* :iferencia de altura de auas arriba y auas aba
5a lonitud compensada se calcula como(  L= Lv +

1 3

∗ Lh

:onde( 5v * 8ecorrido del aua verticalmente por deba
En la siuiente tabla se tiene valores del coeficiente de 5ane(

Ta5la Nro. 3.': Aalores del coeficie"te de 6a"e e" fu"ci4" del 7aterial Material &rena mu# na &rena na &rena media &rena gruesa +rava na +rava media +rava gruesa$ inclu#endo cantos .oleo con algo de cantos # grava &rcilla blanda &rcilla media &rcilla dura &rcilla mu# dura

Relació nC '$  *  , -$ /$ / 1$' 1$*

'uente( $royecto de presas pequeñas +.7.4.8 En la siuiente tabla se tiene valores del coeficiente de 5ane(

 -demás se puede calcular la subpresión como cara puntual en el centro de la base del azud, con la fórmula de un trapecio, multiplicando por un factor de subpresión +#5 que está en función de la cimentación(

Ta5la Nro. 3.B Factor de 0u5presi4" 7aterial

+C6)

#imentación de roca sana

0,2C

#imentación de roca mediana calidad

0,C0

#imentación de material permeable 9,00 'uente( $royecto de presas pequeñas +.7.4.8

d) @!pue del 0uelo.> El empu
1 2

∗ (a∗γ s ∗h

2

γ s =¿  $eso espec"fico del material sumerido +ton3m 

!

* -ltura desde la cresta !asta la base de fundación +m

Es9 * Empu
(

 (a =) g 45 * −

∅

∅

2

)

 * -nulo de fricción +rados

e) ,eso del gua - del suelo.> 8eferido a los pesos verticales tanto del aua y del suelo que act%an sobre la estructura.

D..3) Aerificacio"es de esta5ilidad a) @sta5ilidad al desliza!ie"to.I 5as fuerzas que act%an en la presa no tienen que ser mayor a un factor de seuridad. 7e%n la siuiente e1presión( Cargas v"r)#cal"s∗co"$ + $r#cc#o! - FS Cargashor#,o!)al"s

El factor de seuridad +'7 y el coeficiente de fricción, se muestran en la siuiente tabla(

Ta5la Nro.3.: Aalores del F0 - del coeficie"te de fricci4"

Valores del coefciente de ricción y el actor de seguridad al deslizamiento Material  FS $*2 0oncreto sobre concreto 121$ $' 0oncreto sobre roca sana limpia # $' 121$ sin suras 0oncreto sobre roca con $ 121$ laminaciones 0oncreto sobre gravas # arenas $, /$ 0oncreto sobre arena $/$ 0oncreto sobre lutitas $/$ 3 0oncreto sobre limos # arcillas $/2$/$ 'uente( $royecto de presas pequeñas +.7.4.8

5) @sta5ilidad al vuelco.>  5os momentos que se produzcan en la estructura tienden a volcarla, para esto la ecuación de condición es(

+¿ ¿ −¿ ¿

. / ¿ . / ¿

¿

5os momentos se calcularan con respecto al >talón? de la estructura auas aba
3.... DE0@; D@6 C/@NC; 7;2TEG/D;2 $ara disipar la ener"a del resalto !idráulico que se produce en el cambio brusco de pendientes del azud con el lec!o del r"o y para que no enere erosión, es indispensable la construcción de un colc!ón amortiuador auas aba
:onde( 2* /irante de la crecida má1ima con
#onocido el tirante 9 por medio de ecuaciones de ener"a entre el punto +0 y punto +9 +ver fiura &, se puede calcular 2 con la siuiente e1presión, también estimando una sección rectanular( Y  2 =

1 2

( √ 1 +8∗ F  −1 )∗Y  1

∗

2 1

:ónde( '9 * J%mero de 'roude en el sector +9

3...'. DE0@; D@6 D@02@ND;2 $ara decantar el material sólido no deseable que lleva el aua de un canal lueo del inreso de la bocatoma, es necesaria la construcción de un desarenador. na manera muy %til y efectiva de diseñarlos es aplicando el método que propone el $8KJ-8.

)  $rimeramente se escoe un diámetro de part"cula a decantar, en el siuiente cuadro se muestra su clasificación(

Ta5la Nro. 3.8: Clasificaci4" de ,artculas 7aterial

Diá!etro +!!)

 -rcilla 0,0002D a 0,00D 5imo 0,00D a 0,062  -rena 0,062 a 2 Lrava 2 a 6D 'uente( Mnvestiación -plicada +$8KJ-8 En r"os de llanuras, las part"culas coloidales pueden abarcar un amplio rano ranulométrico desde la fracción de limo !asta la fracción de arena, mientras que en los r"os de montaña de media altura, con pendientes fuertes, los tamaños del rano pueden llear !asta 2 ó mm. 2

) 5a velocidad en el tanque, tiene que ser lo suficientemente lenta para retener la part"cula a decantar, además en el tanque se tiene que producir un réimen laminar. 7e determina la velocidad de escurrimiento, +;d con la fórmula( Vd =a∗√  D

:onde( ;d * ;elocidad de escurrimiento +cm3s : * :iámetro del rano a decantar +mm  -

* #oeficiente que depende de >:?

/ 4ottea, -lfonso. >Kbras de rieo en Nonas ontañosas? +2.092

:e acuerdo a la siuiente tabla, se%n #amp(

Ta5la Nro. 3.(: Aalores del coeficie"te a Diámetro D D4$1mm $1mm4D41 mm D51mm

Coefcient ea 1 ,, -*

'uente( Mnvestiación -plicada +$8KJ-8

C) 7e determina un anc!o de la cámara del desarenador +4d, considerando las limitantes que opone la toporaf"a, además se debe fi
D) 7e calcula la altura de la cámara de sedimentación +)d con la ecuación de continuidad, conviene procurar que la altura de cámara sea menor a 9,20 m(  Hd =

Qd Vd∗Bd

d * #audal de diseño +m3s 4d * base o anc!o del desarenador +m ;d * ;elocidad de escurrimiento +m

B )d * -ltura desarenador +m

@) 7e calcula la velocidad de sedimentación +;G, 5a velocidad de sedimentación está en función del diámetro de la part"cula. -rH!anelsHi propuso la siuiente(

Ta5la Nro. 3.1*: Aelocidad de sedi!e"taci4" segH" diá!etro de partculas D +!!)

AI +c!Js)

0,0C 0,90 0,9C 0,2C 0,0 0,C 0,D0 0,DC 0,C0 0,CC 0,60 0,@0 0,&0 9

0,9@& 0,6O2 9,C6 2,96 2,@0 ,2D ,@& D,2 D,&6 C,D C,OD @,2 &,0@ O,DD

2 9C,2O  9O,2C C 2D,O0 'uente( :iseño )idráulico +Froc!in

D) 7e calcula el tiempo de retención, o sea el tiempo que demorará la part"cula en caer desde la superficie al fondo( Ts=

 Hd Vw

Donde6 7s = tiempo de retención (s) 89 = velocidad de sedimentación (ms) : ;d = <ura del desarenador (m)

E) !inalmente se calcula la longitud de la cámara6  Ld = ( ∗Vd ∗)s

"d = "ongitud del desarenador (m) < = 0oeciente de seguridad

Ta5la Nro. 3.11: Aalores del coeficie"te a Vd m!s) "   $/ 1$/ $- 1$ $ /$ 'uente( Mnvestiación -plicada +$8KJ-8

F) Por ultimo calcular las transiciones de entrada # de salida$ por el criterio de ;inds6

¿=

Bd −& 2∗tan ( 12,5 )

Donde6 .d = &nco del desarenador (m) # b = anco del canal de entrada o salida (m) "7 = "ongitud de transición (m)

>e puede vericar la capacidad del tanque desarenador$ calculando el tiempo de sedimentación (t)$ luego calculando el volumen (8ol)$ en el cual tiene que ser aproximado al volumen de las dimensiones calculadas6  Ld ) = vd

;ol * dAt

P ;ol * 4d?)d?5d

3...B. DE0@; D@ CN6@0 ) Descripci4" 5os canales son conductos que transportan el aua desde la obra de toma !acia el área de rieo. En términos !idráulicos se entiende por canales a los conductos abiertos con una superficie de flu