CRITERIOS PARA PARA EL DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACION Diseño Estructuras I
Ing. Cayo L. Ram Ramos os Taipe Universidad Universidad Nacional Agraria La Molina
CONTENIDO
Generalidades
Diseño Bocatoma Convencional –
Ancho de encauzami en cauzamiento ento
–
Ventana de captación cap tación
–
Desripiador
–
Transición
–
Regul Reg ulación ación de crecientes crecien tes (Qmax) (Qmax)
–
Barraje vertedero vertedero
–
Poza disipación de energ energía ía
–
Canal de limpia
–
Verte ertedero dero de d e demasías
–
Protección de orillas
CONTENIDO
Generalidades
Diseño Bocatoma Convencional –
Ancho de encauzami en cauzamiento ento
–
Ventana de captación cap tación
–
Desripiador
–
Transición
–
Regul Reg ulación ación de crecientes crecien tes (Qmax) (Qmax)
–
Barraje vertedero vertedero
–
Poza disipación de energ energía ía
–
Canal de limpia
–
Verte ertedero dero de d e demasías
–
Protección de orillas
BOCATOMA La Bocatoma es la estructura hidráulica construida sobre un río con el objeto de captar y derivar parte del caudal que discurre obre ella, para su aprovechamiento en la irrigación de áreas agrícolas, generación de energía en centrales hidroelectricas, abastecimiento público y otros.
BOCATOMA Tipos Tipo Caucaciana o de Lecho
Tipo Convencional o Lateral
Consideraciones de Planeamiento y Diseño Ubicación El sitio elegido debe reunir las siguientes condiciones: –
–
–
–
La dirección del flujo del agua debe ser lo mas estable y definido. Garantizar la captación de agua en tiempo de estiaje La entrada de sedimentos debe ser limitado lo máximo posible Cumplir con la condición topográfica
Consideraciones de Planeamiento y Diseño Ubicación Un punto recomendado es la parte externa de los tramos curvos, en la orilla cóncava
Teoria de la celula (Thomson, 1876; Hawthorne, 1951; Quick, 1974)
Consideraciones de Planeamiento y Diseño Topografia Definida la ubicación, se realiza los siguientes trabajos: * Levantamiento en planta del cauce del río entre 500 y 1000m aguas arriba y debajo del eje de barraje (1/2000) •
•
•
Levantamiento localizado de la zona de la estructura (>= 1/50 0) Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m aguas arriba y abajo del eje de barraje (1/2000, 1/200 H-V) Secciones transversales del cauce del río a cada 5 en un tramo de 1000m aguas arriba y 500m aguas abajo del eje de barraje (1/100 1/200) –
Consideraciones de Planeamiento y Diseño Geología y Geotecnia El conocimiento de la geología y geotecnia del lugar permitirá dimensionar con mayor seguridad la presa, se recomienda obtener los siguientes datos: •
•
•
•
•
•
Curva de graduación del material conformante del lecho del río Sección transversal que muestre la geología de la zona Coeficiente de permeabilidad Capacidad portante Resultados sobre ensayos de incados de pilotes Cantidad de sedimento trasportado por el río
Consideraciones de Planeamiento y Diseño
Hidrologia
La Hidrologia brinda información base para el proyecto: •
•
•
•
Estudio hidrológico que garantice la fuente y la cantidad de agua requerida por el proyecto Caudales medios y mínimos Curva caudales tirante en la zona del barraje Conocer las grandes avenidas para determinar la Avenida de Diseño y garantizar la estabilidad del a estructura
Consideraciones de Planeamiento y Diseño
Hidráulica Fluvial
La Hidráulica Fluvial nos permite conocer las características del río: •
•
Estabilidad
Transporte de sedimentos tanto de fondo como en suspensión (dependen de la cuenca y el río)
Precip. Escorr DEM Uso Suelo
Acumulacion Sedim Sedim
Diseño de una Bocatoma Convencional Partes de una Bocatoma
Diseño de una Bocatoma Convencional Partes de una Bocatoma
Ancho de encauzamiento o ancho estable Diseño de una Bocatoma Convencional
ALTUNIN B A *
Petit
BLENCH
B 2.45* Q
Q
B 1.81*
0. 2
S
Q Fb
B = Ancho estable, m. 3
5 3 5* m A n * K 3 B A Q S n K
m
Fs
Q = Caudal, m3/s
An ch o de la super ficie libr e de agua (m ) Coeficiente Caudal (m3/s) Pendiente Coeficien te de r ugosidad de Man nin g Coeficiente que depende de la resistencia de las orillas 3 a4 Material de cauce muy resistente 16 a 20 Material facilmente erosionable 8 a 12 Material aluvial 10 En los problemas de ingeniería A= Exponente 0.5 Para ríos de montaña 0.7 Para cauces arenosos
0.50
0.75
F s
Caudal (m3/s ) Factor de fond o 0 .8 P ar a ma te ria l f in o 1 .2 P ar a ma te ria l g ru es o Fa ct or d e o rilla 0 .1 P ar a ma te ria le s s u el to s 0.2 Para materia les ligeramente cohesivos 0 .3 P ar a ma te ria le s c o he s iv o s
Factor dematerial
causes rocosos cantos rodados gravas, arenas, finos
Q * F b
0.80
Ventana de Captación Diseño de una Bocatoma Convencional La ecuación de vertedero Q= sML(H)3/2 (sumergido)
s 1.051 0.2
hn Z
3 Y 2 H
2 H 0.04 5 H M 0.40 7 1 0.28 5 H Y 2 g H Y 1 1
s = Coeficiente de corrección por sumersión M = Coeficiente de descarga
Sin sumersion Q = 1.84 ( L ) (H)3/2 (Sin Contracciones) Q = C ( L – 0.1 NH ) H3/2 (Con Contracciones) Q = Caudal a derivar (m3/seg.). L = Longitud de la ventana (m). H = Altura de la ventana (m). C = 1.84 = Coeficiente normalizado del vertedero. N = Número de Contracciones.
Desripiador Diseño de una Bocatoma Convencional Cámara que sirve para detener y eliminar piedras El
vertedero de calculado con:
salida
será
Q= sML(H)3/2 (sumergido) El ancho L se determina con:
L = 5(y2-y1) (longitud de resalto) La pendiente se calcula con:
j
V 2 n 2 R
4
3
Q = Caudal a derivado (m3/seg.). L = Longitud del vertedero (m). H = Altura sobre el vertedero (m). V = velocidad en la cámara (m/s). n = Coef. Rugosidad Manning (0.025)
Transición Diseño de una Bocatoma Convencional Permite cambiar de sección entre dos estructuras en forma gradual
R
L
b2 Ltg R
2Sen2
B b 2tg 1230'
Primera parábola 0.5b x
L
Parábola invertida R 2
x2
0.5b x
b2 R R 2 L x 2
V 2 V 12 hf 0.1 2 g 2
Regulación de crecientes (Qmax) Carga Maxima sobre el Barraje Análisis en Aguas Máximas Carga máxima sobre la cresta
Qmax = Cd x L x (He)3/2 V
Qmáx L Cd B P He Y Hv g V Hd
Q A
Q
B Y
;
H v
V 2 2 g
Q2 2 g B 2 Y 2
: Caudal máximo. (m3/s) : Longitud del barraje (m) : coef de descarga (2.2 Creager) : Ancho del Cauce. (m) : Altura del Barraje Vertedero. (m) : Altura de Carga Total. (m) : Tirante Aguas Arriba del Barraje. (m) : Altura de Velocidad. (m) : Aceleración de la Gravedad.(m/s2) : Velocidad de llegada. (m/s) : Carga neta sobre la crest a. (m)
Cota de barraje (Cc) = Co + P Cota de Aguas Aximas = Cc + Hd
Hd = He Hv –
Regulación de crecientes (Qmax) Caudal maximo en la ventana de captacion Calculo del caudal máximo que ingresa a la ventana de captación, que funciona en este caso como un orificio sumergido
Perfil del barraje Por lo general se diseña con las formulas de U.S. Army Engineers Waterways y tomando valores menores al máximo Hd (0.6Hd) para conseguir mayor estabilidad y mejorar la capacidad de descarga (incrementando con ello C= 2.4)
β Arctag
1 Z
T R Tang 2
Ecuación II
Ecuación I X 0.5 H H Y
1.85
X 0.724 0.27 H H Y
R = 0.5 (Hd) o 2 (Hd) 1.85
X 0.432 0.27 H
Valido para el rango
x 0.27 0 H
0.625
0.126
Radio de descarga
R
10 v 6.4 H 16 /3.6 H 64 d
d
V = pie/s Hd = pies R = Pies
Poza de disipación Dada la diferencia de energías, aguas arriba y abajo del barraje, este debe disiparse antes de entregar al cauce. Se logra efectuar esto a través del resalto hidráulico, en la poza de disipación de energía Z
Tirante contraido V
V 2 2 g
ycont hf
1 1
K
V 2
2 g
2 g Z Y cont K 2 g Z Y cont
Carga total Y cont
Z r P H d
hf
q K 2 g Z Y cont
Prof. de Poza r max
Longitud de Poza L p
5Y 2 Y 1
y2
1 2 y1
v 1 1 gy1
2
1.15Y 2 Y n
Tirante conjugado mayor
Análisis de filtración y cimentación Existen básicamente dos tipos de cimentación: tipo flotante (sobre arena grava) y tipo fijo (apoyado sobre material rocoso). Su elección depende de la seguridad contra la erosión, control de flujo subterráneo y costo
Longitud de Cimentacion 1 LH LV CL x H 3
LC
LH: Suma de longitudes horizontales
LV:
Suma
de
longitudes verticales
CL: Coeficiente de Lane que depende del material del fon do del río.
LC : Distancia de ruptura compensada de la sección transversal de la presa. H: Diferencia de carga hidrostática
Espesor del colchón disipador El espesor debe soportar el empuje ocasionado por la supresión. W Sp
c
w 1000kg / m 3
c At w ASp
c t
4 3
2400kg / m3
Sp w
Calculo de supresiones Sp x
H
LV
LH 3 H y
LC
Canal de Limpia Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al río Pendiente del Canal de Limpia Ancho del Velocidad Requerida Canal de Limpia para el Canal de Limpia
VC = (1.5) ( C ) (D1/2) Vc : Velocidad para iniciar el arrastre. (m/s). C : Coeficiente en función del tipo de material. D : Diámetro del grano mayor.
Tipo de Material Arena y Grava redondeada Grava cuadrada (rectangular) Mezc la de arena y grava
C 3.2 3.9 3.5 a 4.5
B
gQ V c2
Vc : Velocidad para iniciar el arrastre. (m/s). Q : Gasto formativo (Q2.2 o 10%Qmax ) g : Aceleración gravedad.
n g S 2
c
10 / 9
q
q
2/9
V c 2 g
Q / B
n : rugosidad de Manning 0.025 q : Caudal unitario (m3/s) g : Aceleración gravedad.
Vertedero de demasías Es una estructura de proteccion que evacua los excedentes de caudal, cuando el nivel de agua En el canal pasa el limite adoptado
Partiendo de la formula general del vertedero
Q CLH 3 / 2 Se obtiene la formula para vertedero lateral
Qv
m 2 g L 1h1
m 0.405
K 1
0.003 h 2 1 0.55 h h a 2
h0 h1
1
52 2 1 K 1 3 2 h1 5 1 K 1
Estabilidad del Barraje Es necesario comprobar la estabilidad del barraje y asegurarse que las fuerzas actuantes no produzcan hundimientos, deslizamientos o volcamientos. La fuerza de Empuje = E El Peso propio = W Y la supresion = S
E es contrarrestada por la fuerza de fricción (R).
R = (W-S)u Coeficiente de estabilidad al deslizamiento K d
W S u E
Coeficiente de aplastamiento
Coeficiente de estabilidad al volcamiento
K d
W X 1 EY 1
SX 2
max
W S 6e 1 B B
x
W S M
e
B x 2
Protección de orillas La profundidad de socavación, se estima con la formula de Lischtvav – Lebediev. DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS Y UNIDADES 1
* d o 53 1 x ds 0.68* Dm 0.28 *
m
ds
Tirante despues de producirse la socavación (m)
Coeficiente dm Tirante sin socavación (m) Be Diánmetro medio (mm) Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) u Exponente que depende de: Dm Para suelos granulares, no cochesivos (Ver cuadro) Para suelos finos, cochesivos (Ver cuadro) s
do Dm
x
d
Qd
Qd 53
* Be * m
Caudal del río Tirante medio-A/Be Ancho efectivo de la sección Sin obstáculos Coeficiente de contracción (Ver cuadro)
VALORES DE X PARA S UELOS CHOSIVOS ( s) Y N0 COHESIVOS (Dm)
s kgf/m3
X
s kgf/m3
X
Dm mm.
X
Dm mm.
X
0.80 0.83 0.86 0.88 0.90 0.93 0.96 0.98 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16
0.52 0.51 0.50 0.49 0.48 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40
1.20 1.24 1.28 1.34 1.40 1.46 1.52 1.58 1.64 1.71 1.80 1.89 2.00
0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28 0.27
0.05 0.15 0.50 1.00 1.50 2.50 4.00 6.00 8.00 10.00 15.00 20.00 25.00
0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31
40.00 60.00 90.00 140.00 190.00 250.00 310.00 370.00 450.00 570.00 750.00 1000.00
0.30 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19
COEFICIENTE BETA
COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN - u TR Años 1 2 5 10 20 50 100 500 1000
COEFICIENTE BETA
LONGITUD LIBRE ENTRE DOS PILAS (CLARO)
Vel Media
0.77 0.82 0.86 0.90 0.94 0.97 1.00 1.05 1.07
m/s
10 m.
13 m.
16 m.
18 m.
21 m.
25 m.
30 m.
42 m.
52 m.
63 m.
<1.00 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 >4.00
1.00 0.96 0.94 0.93 0.90 0.89 0.87 0.85
1.00 0.97 0.96 0.94 0.93 0.91 0.90 0.89
1.00 0.98 0.97 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91
1.00 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92
1.00 0.99 0.97 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93
1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96 0.95 0.94
1.00 0.99 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96 0.95
1.00 1.00 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97 0.96
1.00 1.00 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98 0.97
1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98
Guia Aprovechable (calibracion fotografica)
n=0.018
USGS -Water Supply Paper 1849
NRCS - Fasken, 1963
n=0.110 n=0.050
n=0.018
n=0.014 n=0.060 n=0.125
n=0.016
n=0.080 n=0.020
n=0.150
