Diseño de Bocatoma

AGRADECIMIENTO

RESUMEN

INDICE INTRODUCCION _________________________________________________________________________________________ 1 1.

OBJETIVO _________________________________________________________________________________________ 2

2.

PROCEDIMIENTO __________________________________________________________________________________ 3

3.

MEMORIA DE CÁLCULO __________________________________________________________________________ 11 3.1

DIMENSIONAMIENTO HIDRAULICO __________________________________________________________________ 11

3.2

DATOS DE DISEÑO ___________________________________________________________________________________ 11

3.3

CALCULO DE CAUDAL DE AVENIDA _________________________________________________________________ 11

3.5

DISEÑO DE VENTANA DE CAPTACIÓN _______________________________________________________________ 18

3.6

DISEÑO DE PRESA DE DERIVACION _________________________________________________________________ 25

3.7

DISEÑO DE COMPUERTA DE LIMPIA _________________________________________________________________ 37

3.8

DISEÑO DE ALIVIADERO _____________________________________________________________________________ 40

4.

CONCLUSIONES __________________________________________________________________________________ 43

5.

PLANOS __________________________________________________________________________________________ 43

6.

ANEXOS __________________________________________________________________________________________ 43

7.

BIBLIOGRAFIA ____________________________________________________________________________________ 43

DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

INTRODUCCION

En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia, debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción – canal abierto o a presión -, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, túneles, sifones, etc) etc. Para el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que esta asociado a la disponibilidad del recurso hídrico (hidrología), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – planta. De manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y experiencia del diseñador tiene mucha importancia, destacándose en esta especialidad la ingeniería agrícola.

1

ING.CIVIL – UNA PUNO

DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

1. OBJETIVO

2



Generar las bases para la planificación y gestión integral de los recursos hídricos en la cuenca de la zona de estudio, haciendo énfasis en el uso del agua para riego; promoviendo así su manejo eficiente, racional y equitativo.



Implementación y uso de programas modernos para la sistematización de la información hidrometeorológica, base para una adecuada Gestión de los Recursos.



Diagnóstico de la hidrología en general de las cuencas.



Estudio del almacenamiento en las cuencas y su aporte a la disponibilidad.



Estudio del funcionamiento hidrológico de las cuencas y el establecimiento de las reglas de operación de los sistemas regulados.



Cálculo del balance hídrico en las cuencas.


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IRRIGACIONES

2. PROCEDIMIENTO

• • • •

• •

•

2.1 Consideraciones importantes De acuerdo a lo establecido por el Bureau of Reclamation (USBR), y por las prácticas usuales de ingeniería en proyectos similares, se recomienda los siguientes criterios: 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 desrripiador, 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. Las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa.

Una aproximación del uso de las obras hidráulicas se tiene a continuación: 2.2 Con fines de aprovechamiento hidráulico: Abastecimiento de agua a poblaciones Riego de terrenos para cultivo. Producción de fuerza motriz o hidroenergía. Navegación fluvial. Recreación. 2.3 Con fines de defensa y prevención: Contra desbordes e inundaciones Defensas ribereñas Contra azolves. 2.4 Clasificación y selección de presas Las presas son obras hidráulicas trascendentes en el proyecto hidráulico, con mayor razón en obras de riego, donde su uso puede relacionarse a la regulación, almacenamiento o derivación del recurso hídrico. Las presas pueden variar en tamaño, uso, forma o material, lo que determina su clasificación: El uso El Proyecto Hidráulico Materiales que forman la estructura. 2.5 Clasificación según su uso Se clasifican de acuerdo a la función más generalizada que van a cumplir o desempeñar: Presas de almacenamiento Presas de regulación o reguladoras Presas de derivación.

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Las presas de almacenamiento se construyen para almacenar agua en los períodos en que sobra y ser utilizada en los períodos en que escasea, estos períodos pueden ser estacionales, anuales o largos. Las presas de derivación se construyen para proporcionar la carga necesaria para derivar el agua hacia sistemas de captación para riego u otros usos. Las presas de regulación se construyen para retardar el escurrimiento de las avenidas y disminuir el efecto de las avenidas ocasionales. 2.6 Clasificación según su proyecto hidráulico Se clasifican en: Presas vertedoras: se proyectan para descargar el fluido sobre sus coronas. Deben estar construidas con materiales que no se erosionen con las descargas Presas no vertedoras: se proyectan para que el fluido no rebase su corona 2.7 Clasificación según sus materiales Se clasifican en: Presas de concreto: Presas de gravedad Presas de arco Presas de tierra Presas de enrocado. 2.8 Definición Los sistemas de captación, estructuras de captación, o comúnmente llamadas bocatomas, son estructuras hidráulicas construidas con el objeto de aprovechar las aguas superficiales en forma controlada y sin alterar el régimen de la fuente de abastecimiento (arroyos, ríos, lagos, lagunas y manantiales), disponiéndolas de tal manera que se puedan conducir hasta el sitio de utilización ya sea por gravedad, presión o bombeo, para fines de aprovechamiento hidráulico, generación de energía, abastecimiento para uso poblacional o riego agrícola, entre otros fines. Las Estructuras de Captación pueden construirse desde una simple toma rústica de captación directa, hasta grandes obras de concreto, dependiendo principalmente del caudal a captar, de la disponibilidad del recurso hídrico, de las características hidrológicas de la cuenca, del área de riego, de los materiales de construcción, facilidades en su construcción, etc. Para que su diseño sea óptimo y de calidad, se debe determinar su ubicación con diversos criterios que permitan su funcionalidad, economía en su diseño y construcción, fácil maniobrabilidad y daños mínimos o nulos al medio ambiente. Debe ser de aceptación de los regantes y de las comunidades beneficiarias, y debe asegurarse la recuperación de la inversión. 2.9 Clasificación de las bocatomas Existen diversos tipos de sistemas de captación. Los factores determinantes para la selección de la estructura de captación más adecuada son: La naturaleza del cauce del río Las características del flujo La topografía de la zona de captación La hidráulica fluvial

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Bajo esas consideraciones, las estructuras de captación se clasifican según el régimen hidráulico del río, según los elementos que la conforman y según el tipo de toma. 2.9.1

Según el régimen hidráulico del río

Bocatoma de régimen subcrítico. Bocatoma de régimen supercrítico. 2.9.2

Según los elementos que la conforman

Bocatoma sin barraje. Bocatoma con barraje. Barraje fijo: Cuando la presa de derivación es rígida, (de concreto o enrrocamiento o gaviones). Se utiliza cuando el volumen de captación es menor que el caudal medio del río. Barraje móvil: Se denomina así, cuando se tienen una serie de compuertas (o ataguías), que regulan el tirante de aguas del río, permitiendo su captación. Normalmente se utiliza en ríos muy caudalosos con pendientes suaves. Barraje mixto: Cuando una parte del cauce es cerrado con un elemento fijo y la otra parte del mismo con una estructura móvil. Esta solución para los ríos de la costa peruana, donde las crecidas y estiajes de los ríos son muy diferenciados. 2.9.3 Según el tipo de toma 2.9.3.1 Bocatomas de captación directa (frontal o lateral): Que tiene la captación normal a la dirección del flujo y por lo general permite el ingreso de un caudal mayor al que se va a captar. No requiere la construcción de presas o barrajes, con la desventaja de permitir el ingreso de sedimentos y basuras hacia el canal. Se obstruye fácilmente, por lo que requiere permanente mantenimiento.

2.9.3.2 Bocatomas de captación convencional y mixta: que tiene la captación por un bocal que puede funcionar como orificio o vertedero (según el tirante del río), derivándose el río por un barraje que cierra el cauce, garantizando el caudal captado. El barraje o presa puede ser fijo o móvil, o ambos (mixto. 2.9.3.3 Bocatomas de captación sumergida, caucasiana o tirolesa: Es una toma, cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del vertedero azud, dejando un espacio en el protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales grueso. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas. La construcción de este tipo de bocatomas es solo recomendable donde las condiciones la favorezcan.

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2.10 Según el tipo de río 2.10.1 Bocatomas en ríos de montaña: Este tipo de bocatomas tienen que considerar las fuertes pendientes y el arrastre de sedimentos gruesos, el bajo caudal y el flujo crítico a supercrítico o torrentoso. Según sea la captación en valle (captaciones convencionales) o en pendiente fuerte (captaciones sumergidas), variarán sus características de diseño. 2.10.2 Bocatomas en ríos de llanura: Las bocatomas en ríos de llanura tiene que considerar, que están sobre ríos de cauce poco profundo, pequeña pendiente, flujos laminares sub críticos a críticos. La presencia de sedimentos finos y medianos hace que las bocatomas consideren obras de limpieza y desarenamiento. Por otro lado la captación debe hacerse alta respecto al fondo del río para que le canal pueda alcanzar a salir fuera del cauce y comenzar a regar inmediatamente a terrenos ribereños. 2.11 Tomas Convencionales Los ríos de montaña tienen caudales relativamente pequeños, gradientes relativamente grandes y corren por valles no muy amplios. En crecientes llevan cantidades apreciables de material sólido. tomas comunes no convencionales se componen de los siguientes elementos principales: A. Un dique que cierra el cauce del río y obliga a que toda el agua que se encuentra por debajo de la cota de su creta entre a la conducción. En tiempo de creciente e exceso de agua pasa por encima de este dique o sea que funciona como vertedero. Este tipo de dique vertedero se llama azud. Para evitar que en creciente ente excesiva agua a la conducción, entre esta y la toma se dejan estructuras de regulación. Una de estas es la compuerta de admisión que permite interrumpir totalmente el servicio para el caso de reparación o inspección. B. Una reja de entrada que impide que pase hacia la conducción material sólido flotante demasiado grueso. El desripiador debe tener una compuerta hacia el río a través de la cual periódicamente se lava el material acumulado en el fondo.

C. Una transición de entrada al canal. Se desea que la mayor parte del material grueso que llega a desrripiador se deposite dentro de éste y no pase al canal. Por este motivo la conexión del desrripiador se hace generalmente por medio de un vertedero cuyo ancho es bastante mayor que el del canal que

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sigue. Para evitar que haya pérdidas grandes de energía entre la salida del desrripiador y el canal las dos estructuras se conectan por medio de una transición. D. Un zampeado y un colchón de aguas al pie del azud. El agua erosiona el cauce y puede socavar las obras causando su destrucción. El zampeado o el colchón sirven para disipar la energía de manera que el agua pase al cauce no revestido con velocidades lo suficientemente bajas para no producir erosiones. El agua filtra por debajo del azud ejerce una subpresión en el zampeado que podría romperlo. Para disminuir un poco esta subpresión como también para anclar mejor el azud, se construye aguas arriba un dentellón y debajo del zampeado muchas veces se dejan drenes con sus respectivos filtros. E. Una compuerta de purga que reubica en un extremo del azud, al lado de la reja de entrada. Generalmente el río trae en creciente una gran cantidad de piedras que se acumulan aguas arriba del azud pudiendo llegar a tapas la reja de entrada con lo cual el caudal de captación se reduce considerablemente o puede ser totalmente interrumpido. La función de la compuerta es eliminar este material grueso. Por lo general la eficiencia de la compuerta de purga es pequeña pero por lo menos se consigue mantener limpio el cauce frente a la rejilla. La compuerta se abre en las crecientes, cuando sobra agua, y por lo tanto cumple una función adicional de aliviar el trabajo del azud y hasta cierto gado, regular el caudal captado. F. Escala de peces. Esta es una obra que frecuentemente se omite a pesar de tener mucha importancia en algunos ríos. La presa representa un obstáculo al paso de los peces y es conveniente tomar medida para rehabilitarlo. Por lo general los pasos para los peces son pequeños depósitos escalonados que se construyen a un lado del azud. El agua baja de un escalón a otro con poca velocidad a través de escotaduras que sirven al mismo tiempo para que por ellas puedan saltar los peces. Todas las aristas deben ser redondeadas. Las dimensiones y otras características se tratan en obras especializadas. 2.12 Ubicación y forma de construcción de la toma La forma de utilización del agua es generalmente conocida de antemano es decir está ubicado el sitio apropiado para producir energía eléctrica por medio de una caída, o para la planta de tratamiento que abastecerá de agua a una población o para la iniciación de la zona de riego. A este punto de cota conocida debe llegar, la línea de conducción (canal o túnel) conveniente y el trazado se establece a base de consideraciones económicas, después de un recorrido de reconocimiento previo. En otras palabras teniendo esta línea de gradiente preliminar se puede encontrar su intersección con el río y establecer aproximadamente el sitio de las obras de toma. La ubicación exacta puede estar desplazada en algunos cientos de metros, por lo general hacia aguas arriba, y se determina en función de las condiciones geológicas y topográficas del sitio. Una vez que han servido a su propósito, todas las obra temporales de desvío son removidas de manera que no estorben el funcionamiento normal de la toma. Las facilidades existentes para la construcción son un criterio importante para la ubicación de las obras de toma. 2.13 Reja de entrada El agua se capta por medio de un orificio que se encuentra en una de las orillas. Este orificio está provisto de barrotes verticales que impiden la entrada del material flotante y de piedras mayores del espacio entre los mismos. El orificio está dentro de un muro que separa el desrripiador del río y aguas abajo se prolonga a conectarse con la compuerta de purga. La velocidad en el río es variable y se debe escoger la que corresponde al caudal medio anual. Se recomienda que para facilitar la limpieza de los sedimentos, el plano de la reja no tenga un ángulo superior a 20º con la dirección del canal de limpieza. 2.14 Desrripiador

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Como se ha dicho antes, después de la reja de entrada se acostumbra dejar una cámara que se llama desrripiador y que sirve para detener las piedras que alcanzaron a pasar entre los barrotes y que no deben entrar al canal. Con este objeto la velocidad en el desrripiador debe ser relativamente baja y el paso hacia el canal debe hacerse por medio de un vertedero sumergido. Entre la reja de entrada y el vertedero de salida puede formarse un resalto sumergido y para que este último funcione en una forma normal es conveniente que el ancho del desrripiador en este sitio sea igual por lo menos a la longitud del resalto. 2.15 Regulación de la creciente Se supone que cerca de una toma vivirá un guardián quien tendrá instrucciones para cerrar la compuerta de admisión en época de crecientes. Sin embargo, la creciente puede ocurrir durante la noche o ser demasiado rápida y no dejar tiempo al guardián para que haga algo, o éste puede estar ausente, enfermo o inhabilitado por cualquier otro motivo. Por esto, para la seguridad del canal, toda toma debe diseñarse en tal forma que pueda por sí sola permitir el paso de la creciente máxima sin sufrir ningún daño. Estando calculadas las obras de captación par el estiaje, quedan definidos las cotas y los anchos de todos los vertederos y canales, se procede entonces a comprobar los niveles de agua en creciente. Se acepta que en creciente el canal trabajará con una cierta sobrecarga, ente el 10% y el 20% del caudal de diseño y se calcula el calado correspondiente. La compuerta de admisión, que debe dejarse en tal posición que en estiaje el agua pasa pocos centímetros por debajo, se sumerge con el aumento de calado y se transforma en orificio originando una pérdida de carga adicional. 2.16 Calculo del azud – forma del vertedero Por razones de estabilidad se había optado por dar a los azudes un perfil trapezoidal ligeramente redondeado para facilitar el paso del agua. En la lámina de agua que pasa por el vertedero, la curvatura de los filetes líquidos se traduce en fuerza centrífuga y alteración de presiones que dejan de ser hidrostáticas. Consiguientemente es conveniente reducir la presión sobre el cimacio (parte superior del parámetro) pero adoptando un perfil tal que éste sometido a una presión casi nula en todos sus puntos. Esto es lo que ha tratado de conseguir Creager con el perfil que lleva su nombre. 2.17 Transición El agua sale del desrripiador por medio de un vertedero ancho y con poco calado pasado a un túnel o canal que generalmente tiene una sección más estrecha y más profundatanto es aconsejable intercalar entre los dos una transición, es decir una estructura en la cual este cambio de sección se hace en forma gradual a fin de conseguir que la pérdida de carga sea mínima.

2.18 Regulación de la creciente Se supone que cerca de una toma vivirá un guardián quien tendrá instrucciones para cerrar la compuerta de admisión en época de crecientes. Sin embargo, la creciente puede ocurrir durante la noche o ser demasiado rápida y no dejar tiempo al guardián para que haga algo, o éste puede estar ausente, enfermo o inhabilitado por cualquier otro motivo. Por esto, para la seguridad del canal, toda toma debe diseñarse en tal forma que pueda por sí sola permitir el paso de la creciente máxima sin sufrir ningún daño. Estando calculadas las obras de captación par el estiaje, quedan definidos las cotas y los anchos de todos los vertederos y canales, se procede entonces a comprobar los niveles de agua en creciente. 2.19 Calculo del azud – forma del vertedero

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Por razones de estabilidad se había optado por dar a los azudes un perfil trapezoidal ligeramente redondeado para facilitar el paso del agua. En la lamina de agua que pasa por el vertedero, la curvatura de los filetes líquidos se traduce en fuerza centrífuga y alteración de presiones que dejan de ser hidrostáticas. Al pie del paramento inferior el efecto de la curvatura produce un aumento notable de presiones, lo que acrecienta la estabilidad de la obra sin que el desgaste de la superficie del paramento debido a la velocidad y presión sea de cuidado. En la parte superior del paramento aguas abajo se produce en cambio una notable disminución de presión, y esto a su vez aumenta el coeficiente de descarga. En lo que concierne a la estabilidad, si bien ciertas presas resultan perfectamente estables aún con depresiones fuertes, otras de perfil diferente, por circunstancias accidentales en la descarga durante una creciente como por ejemplo el paso de los cuerpos flotantes, pueden ocasionar intempestivas de aire debajo de la lámina vertiente haciendo que esta se despegue y se vuelva a pegar alternadamente engendrando así vibraciones peligrosas para la estructura y muchas veces cavitación. 2.20 ESTABILIDAD DEL AZUD Es poco frecuente el caso de azudes apoyados en roca y por lo general el lecho del río está formado por arena, grava o arcilla. Es necesario por lo tanto comprobar la estabilidad del azud es decir asegurarse que las fuerzas a que está sometido no produzcan hundimientos, deslizamientos o volcamientos. Para un predimensionamiento, Popov recomienda que la relación entre el ancho del azud b y la carga z que actúe sobre el mismo esté dada por la tabla

TABLA No. 5 – 4 Material del cauce La/z Arcillas 2.75 – 3.00 Franco arcilloso 2.50 – 2.75 Limo y arena 2.25 – 2.50 Grava y canto rodado 2.00 – 2.25 Conocidas las dimensiones del azud es necesario comprobar la estabilidad del mismo. Generalmente el azud está separado del zampeado con una junta de construcción y por esto el cálculo de éste se hace independientemente. Las fuerzas consideradas son el empuje del agua E, el peso propio G, y la subpresión S. Dada la forma del azud que hace que el agua pase sobre él prácticamente sin ejercer ninguna presión, no se considera en el cálculo el agua que vierte sobre el vertedero. Tenemos que el empuje del agua es contrarrestado por las fuerzas de rozamiento iguales a: R = (G – S) F Siendo f el coeficiente de fricción del hormigón sobre el suelo húmedo. Según Popov, los valores de f que pueden servir de orientación son los siguientes: TABLA No. 5 Roca 0.6 – 0.7 Grava 0.5 – 0.6 Arena 0.4 – 0.5

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Limo Arcilla

0.3 – 0.4 0.2 – 0.3

2.21 DISIPACIÓN DE ENERGÍA Siempre que un río es interrumpido con una estructura como dique, se crea una diferencia de energía aguas arriba y debajo de la misma que actúa sobre el material del cauce erosionándolo y pudiendo poner en peligro las obras. Debe por lo tanto protegerse el cauce disipando la energía antes de que llegue el cauce no protegido y el tipo de estructura utilizado depende de una serie de factores entre los que están: 1. Caudal del río 2. Diferencia de nivel creada por la estructura 3. Condiciones hidráulicas del río 4. Tipo del material del cauce 5. Materiales de construcción disponibles 2.22 PROTECCIÓN DE LAS ORILLAS No es suficiente proteger el fondo sino que es necesaria además que las orillas del río no sean erosionadas. Por lo general se construyen muros a los lados de la estructura que se extienden paralelamente al río en toda la longitud del azud y del zampeado y que se meten en los barrancos aguas arriba y agua debajo de esta sobra. Estos muros de ala trabajan como muros de sostenimiento y deben ser diseñados para resistir la presión del agua y del terreno contra el cual se construyen. Aguas abajo del zampeado, si las condiciones del terreno lo requieren, las orillas se protegen con gaviones. Estos consisten en canastas de alambre en forma de paralelepípedos que se rellenan con canto rodado grueso. Debido a su permeabilidad y flexibilidad no requieren en fundaciones y son por lo tanto una solución comparativamente poco costosa. 2.23 MOVIMIENTO DE AGUA BAJO LAS PRESAS Los suelos que sirven de fundaciones a obras hidráulicas son permeables en la mayoría de los casos pues solamente suelos rocosos y arcilla compactas pueden ser considerados impermeables. Debido a la presión del agua remansada por la presa, bajo ésta y por los dos lados se produce filtración. El agua al moverse por los poros del suelo ejerce presiones sobre las partes de la construcción que están en contacto con ella. A su vez estas partes de la construcción al limitar las regiones del movimiento del agua influyen tanto cualitativamente (sobre la dirección del flujo) como cuantitativamente (magnitudes de presiones, velocidades, caudales) sobre esta agua. 2.24 CALCULO DEL DENTELLÓN AL FINAL DEL ZAMPEADO Al final del zampeado de los azudes frecuentemente se presenta la erosión del fondo que puede ser peligrosa si el zampeado no dispone de un dentellón que lo proteja de la socavación. Entre las causas para la erosión tenemos principalmente las siguientes: 1. La corriente tiene una alta capacidades arrastre de sedimentos debido a su gran energía y desarrollada turbulencia como también por haber depositado aguas arriba del azud buena parte de los sedimentos que llevaba. 2. El paso del agua de la sección lisa del zampeado al cauce natural con una rugosidad mucho mayor, produce remolinos, especialmente cerca de la orillas, que remueven el material del fondo.

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3. MEMORIA DE CÁLCULO 3.1 DIMENSIONAMIENTO HIDRAULICO El dimensionamiento hidráulico de una estructura de captación se basa en el comportamiento del agua ya sea en movimiento o en reposo. El dimensionamiento hidráulico debe satisfacer las condiciones siguientes.    

Estabilidad del cauce al paso de la avenida de diseño (Hidráulica Fluvial). Asegurar permanentemente el caudal de ingreso. Captar lo mínimo de material sólido. Proveer un sistema de compuertas que eviten la sedimentación de sólidos y material flotante frente a la bocal.

3.2 DATOS DE DISEÑO  La bocatoma de diseño es una bocatoma con presa de derivación de barraje fijo del tipo CREAGER o WES (la elección de tipo de bocatoma dependerá de las características de flujo o caudal, estabilidad y cauce del río; además dependerá de la geomorfología de la zona de captación, aún de la climatología).  Las características del río presenta un cauce aluvial, de montaña, cuenca media y pendiente promedio de 2 %. El régimen del flujo del río es permanente, laminar y subcrítico en la zona de captación, variando en algunos tramos a régimen crítico.  Las secciones medidas en el eje, a 5 metros aguas arriba y 5 metros aguas abajo, son 24.20, 23.80 y 24.70 m2 respectivamente.  Los perímetros hidráulicos medidos en los mismos ejes son 20.70, 21.30 y 20.90 respectivamente.  El caudal de diseño es de 0.75 m3/s (depende de los requerimientos de riego) 3.3 CALCULO DE CAUDAL DE AVENIDA Se realiza en función a datos obtenidos en campo, en época de avenida o estiaje (se observarán las huellas del flujo en las riberas del cauce). Previo al diseño de la bocatoma, deben verificarse los parámetros geométricos (área, perímetro mojado, radio hidráulico, espejo de agua, etc.) e hidráulicos del río (velocidad, caudal, tirante normal, etc.). Para ello se determina la sección del cauce del río en tres puntos como mínimo, sobre el eje de toma, a 5 m aguas arriba y a 5 m aguas abajo. El seccionamiento estará en función a la magnitud de la obra e importancia del sistema de riego, pudiendo seccionarse hasta 50 m aguas arriba y aguas abajo del eje de toma. 13.60 ml A1= 9.70 m2 P1=18.10 m

14.50 ml A2= 11.50 m2 P2=19.60 m

16.20 ml A3= 11.80 m2 P3=20.45 m

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3.3.1

CÁLCULO DEL ÁREA PROMEDIO

Aprom  3.3.2

A1  A2  A3 9.70  11.50  11.80  3 3

P1  P2  P3 18.10  20.45  19.60  3 3

Pprom = 19.38 ml

CÁLCULO DEL RADIO HIDRÁULICO

R 3.3.4

Aprom= 11.00 m2

CÁLCULO DEL PERÍMETRO PROMEDIO

Pprom  3.3.3

IRRIGACIONES

A 11.00  P 19.38

R = 0.57 m

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL RÍO 2

v

1

1 3 2 R S n

Previamente debe determinarse el coeficiente de rugosidad “n” del río según Cowan:

n  (n0  n1  n2  n3  n4 )m5 Dónde: n1 = n2 = n3 = n4 = m5 =

n0 = Para grava gruesa = 0.023 Para un grado de irregularidad moderado = 0.010 Para sección ocasionalmente alternante = 0.005 Para efecto obstructor menor = 0.010 Para vegetación baja = 0.005 Para cantidad de meandros menor = 1.00

CUADRO DE RUGOSIDAD PARA CANALES NATURALES CONDICIONES DEL CANAL material considerado tierra roca cortada grava fina grava gruesa grado de irregularidad Liso menor moderado severo variaciones dela sección gradual transversal ocasionalmente alternante frecuentemente alternante

12

n0

n1

n2

VALORES 0.03 0.025 0.024 0.023 0 0.005 0.01 0.02 0 0.005 0.010-0.015


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efecto relativo de obstrucciones

vegetación

cantidad de meandros

despreciable menor apreciable severo baja media Alta muy alta menor apreciable severa

n= (0.023+0.005+0.000+0.005+0.005)1.00 = 0.049

n3

n4

m5

0 0.01-0.015 0.020-0.030 0.040-0.060 0.005-0.010 0.010-0.020 0.025-0.050 0.050-0.100 1 1.15 1.3

n=0.053

Aplicando Manning: v

3.3.5

1 (0.57) 0.667 (0.02) 0.5  1.8343.m / s 0.053

v= 1.83 m/s

CÁLCULO DE LA AVENIDA MÁXIMA Aplicando la ecuación de la continuidad: Q = 11.00*1.83 = 20.13

Q  AV

3.3.6

Q = 20.13 m3/s

CÁLCULO DEL TIRANTE NORMAL DEL RÍO El cauce de un río tiene una sección hidráulicamente óptima, por haberse formado en un período geológico largo, por lo que se aplica la relación: R

Y 2

Despejando Y:

Y = 2*0.57 = 1.14

Y = 1.14m.

3.4 COMPORTAMIENTO DEL CAUCE (Determinación De La Sección Media Del Cauce) El análisis se realiza para estimar el ancho de encauzamiento del río y observar la estabilidad del río, para garantizar un sistema de captación óptimo. En síntesis, la estabilidad del río debe permitir una relación de la geometría de la sección y la pendiente del canal, con el caudal y las características del material de fondo y las paredes del cauce.

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Para el efecto se utilizan dos métodos de análisis de estabilidad: la teoría del régimen1 y el método de Altunin2 . La teoría del régimen aplica los métodos de Lacey, Blench, Simons y Albertson, entre otros. 3.4.1

MÉTODO DE LACEY: Este autor introduce el perímetro mojado y el radio hidráulico en vez del ancho y tirante medio del río. Lacey trabajó sobre las siguientes características de canales: Sobre un material de fondo no cohesivo, diámetro medio del material de fondo entre 0.15 y 0.40 mm, ondulaciones en el fondo, transporte del material del fondo inferior a 500 ppm y caudal dominante entre 1.4 a 280 m3/s. 1

B  4.831Q 2 Dónde: B Q

= =

Ancho de la superficie libre del agua (m) Caudal dominante o máximo de diseño (m3 /s)

B= 4.831 (20.13)0.5 =21.6749

B = 21.67m 1

 Q 3 y m  0.474  f 

Dónde: f ym Dm

= = =

1

f  50.60 Dm 2

Factor de sedimentación Tirante medio (m) Diámetro medio del material de fondo (m)

El diámetro medio de las partículas de fondo del cauce es de 0.25 mm, el que se encuentra dentro de los rangos trabajados por Lacey. f = 50.60 (0.25)0.5 = 25.30

f = 25.30

Ym = 0.474(20.13/25.30)0.333 = 0.45

Ym = 0.45m

3

1

Rh i  0.0002032 f 2 y m 2

Dónde: Rh i

= =

Radio Hidráulico (m) Pendiente del río

Rh = 0.0002032/0.02 (25.30)1.50 (0.45)0.5 = 0.8673 3.4.2

Rh = 0.87 m

MÉTODO DE BLENCH3: Éste investigador introduce dos parámetros, el factor de fondo Fb (que toma en cuenta la resistencia del fondo) y el factor de orilla Fs (mide la resistencia de las orillas), que tienen en cuenta la concentración del material transportado en suspensión, el diámetro de las partículas de fondo y la resistencia de las orillas a ser erosionadas.

La teoría del régimen es empírica en base a observaciones en canales de riego. Es aplicable con material cohesivo y arenoso, siendo útil para el diseño en canales con estas características. 2 Es un método más complejo, considera el tipo de río con un criterio geográfico-morfológico: el tipo de río (de zona montañosa, intermedia y planicie), la resistencia de las orillas a la erosión en base a un coeficiente K. Establece la resistencia de las márgenes y garantizar el movimiento del fondo para obtener la resistencia al flujo. 3 Todas las fórmulas referidas a la estabilidad de cauces que se detallan en éste libro, se han obtenido del libro: ESTABILIDAD DE CAUCES (capítulo 12 del Manual de Ingeniería de Ríos), de José Antonio Maza Álvarez y Manuel García Flores, publicado por la Universidad Nacional Autónoma de México. 1

14


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

1/ 2

 Q  Fb   B  1.81    FS 

Dónde: B Fb Fs Q

= = = =

Ancho de la superficie libre del agua (m) Factor de fondo Factor de orilla Caudal máximo de avenida (m3/s) Cuadro Nº 06: Factores de Fondo y Orilla Factor de fondo Factor de orilla Tipo de material Fb Tipo de material material grueso (Dm>0.5 mm) 1.2 material suelto (arena) material fino (Dm<0.5 mm) 0.8 material medio cohesivo material cohesivo- arcilla

Fs 0.1 0.2 0.3

Según las características del cauce del río (Dm =0.25 mm), el factor de fondo según el cuadro 06, para un material fino (Dm<0.5 mm) es de 0.8, el factor de orilla será de 0.2 para un material medio cohesivo. B = 1.81 (20.13*0.8 / 0.1)0.5 = 22.9691

B = 22.97 m

1

 F Q 3 y   s 2   Fb 

Dónde: y= Tirante medio (m) Por las condiciones del cauce del río, se considera que el Factor de fondo es 0.8 (por ser el D m 0.25 mm), y el factor de orilla 0.1 (por ser material medio cohesivo) y = (20.13*0.1 /(0.82))0.333 = 1.4651 5

i

1

Fb 6 Fs 12

K  3.63

1 6

C   3.28KQ 1  s   2330 

Dónde:

i =

y = 1.47m g 1

v4

Pendiente del río

Cs = Concentración de material de fondo (ppm), se estima en 360 ppm. K

= Coeficiente en función de la (g) gravedad y la (v) viscosidad de la mezcla aguasedimento (m2/s) K = 3.63 (9.81/1.830.25) = 30.9292 i

15

0.80.833 * 0.2 0.083 360 3.28 * 30.93 * 20.130.166 (1  ) 2330

K = 30.93  0.003547834

i = 0.0036


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

TABLA Nº 2 Coeficiente de viscosidad dinámica y cinemática del agua en función de la temperatura Tº Viscosidad Viscosidad Tº Viscosidad Viscosidad dinámica, cinemática, en dinámica, cinemática, en m en 10-8 n en 10-8 m en 10-8 n en 10-8 C C 2 2 Kgf s/m2 Kgf s/m Kgf s/m Kgf s/m2 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 3.4.3

1.548 1.500 1.456 1.413 1.372 1.333 1.296 1.260 1.227 1.194 1.162

1.519 1.472 1.428 1.386 1.346 1.308 1.272 1.237 1.204 1.172 1.141

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

1.133 1.104 1.076 1.049 1.025 1.000 0.976 0.954 0.932 0.911 0.890

1.112 1.084 1.057 1.031 1.007 0.983 0.960 0.938 0.917 0.896 0.876

SIMONS Y ALBERTSON: Estos investigadores basan sus estudios en observaciones de ríos en la India y Estados Unidos. Estos autores dan algunos rangos de aplicabilidad del método, por ejemplo, el ancho medio del cauce Bm entre 0.60m a 79.2m, el tirante y entre 0.84m y 3.15m, la pendiente S entre 0.000058 y 0.0097, el diámetro medio del material de fondo Dm entre 0.028mm y 80mm, el caudal Q entre 0.14 m3/s y 244 m3/s y la concentración de material transportado C entre 156 ppm y 8000 ppm, finalmente K1 y K2 con valores de 3.16 y 0.27 respectivamente.

Las fórmulas son las siguientes: Bm  0.9 P  0.91K1Q 0.512

Dónde:

Bm  0.92B  0.61

Bm = Ancho medio del cauce (m) P = Perímetro del cauce (m) Q = Caudal o gasto (m3/s)

Bm = 0.91*3.16 (20.13)0.512 = 13.92

Bm = 13.37 m

y  1.21R  1.21K 2Q 0.361

Si Rh  2.60m

y  0.61  0.93R  0.61  0.93K 2Q 0.361

Si Rh  2.60m

Considerando que el diámetro medio de las partículas del río es de 0.25mm, se aplica la primera relación: Y = 1.21 x 0.27 (20.13)0.361 = 0.99

16

y = 1.00 m


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

1

  m' 1 S  ' 1 2 m '  K1 K 3 K 2 Q 0.722m 0.127    1 S  1.572 * (20.13) 0.079492   3.16 * 10.76 * 0.27

3.4965

S = 0.001

 0.0010247

Material K1 K2 K3 K4 M' 1. Fondo y orillas de arena 6.30 0.41 (9.33) 0.324 (1/3) 2. Fondo de arena y orillas cohesivas (4.74) (0.47) (10.77) (0.525) (1/3) 3. Fondo y orillas cohesivas 3.96 0.56 0.87 4. Fondo y orillas con material grueso 3.16 (0.27) (10.76) 0.85 (0.286) no cohesivo 5. Igual que 2 pero con mucho 3.09 0.36 9.68 0.286 transporte 2000 ppm < C < 8000 ppm Fuente: Los valores entre paréntesis fueron dados por Simons y Albertson (1963). Los demás se obtuvieron de las figuras que ellos elaboraron. 3.4.4

MÉTODO DE ALTUNIN: Éste método es el más complejo de todos, contempla parámetros hidráulicos, geométricos, resistentes, etc. y basa su estudio en un criterio geográficogeomorfológico del tipo de río. Clasifica las secciones o tramos de río en Tipo A y B.

o Tipo A: Orillas muy resistentes a la erosión. Formadas por materiales cohesivos o boleos o Tipo B: Orillas poco resistentes a la erosión. Formadas por materiales aluviales sin cohesión. Igualmente distingue tres zonas principales a lo largo del desarrollo longitudinal de un río y son: o Zona montañosa, su fondo está formado por roca, boleos y cantos rodados y grava. Pendientes fuertes. o Zona intermedia, formado por gravas y arenas, fuertes cambios de pendiente, se inicia el depósito de material aluvial. o Zona de planicie, el fondo es de arena principalmente, limos y arcillas. Pendientes menores, se desarrollan meandros. 3

EQ 0.5 B  0.2 S

 5  3 5 m E   nK 3   

Dónde: B = Ancho de la superficie libre del agua (m) S = Pendiente. E = Coeficiente. n = Coeficiente de rugosidad según Manning

17


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

K = Coeficiente de forma. Su valor es de 8 a 12 para cauces formados en material aluvial. Como valor promedio se recomienda tomar el valor de 10. Para ríos con orillas difícilmente erosionables, K vale entre 3 y 5 y para cauces con orillas muy fácilmente erosionables alcanza valores de 16 a 20. m = exponente en función de los esfuerzos cortante y cortante crítico. (m=0.70) E  0.0435 *101.667 

0.462

 1.384

B = (1.384*20.130.5) / (0.020.2) = 13.5785

E = 1.384 B = 13.58 m

Finalmente se halla el promedio de los resultados obtenidos por los diferentes métodos calculados. Hallamos el promedio de las bases, quedando como promedio: Bprom. = ( 21.67+22.97 + 13.37 + 13.58 )/4 = 22.9691m

Bprom. = 23.00m

3.5 DISEÑO DE VENTANA DE CAPTACIÓN Previo a iniciar el cálculo de la ventana de captación se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: o Haber definido el tipo de bocatoma a diseñar, la que debe estar en función de las características hidráulicas y geométricas del río, de la topografía de la zona y de la oferta hídrica del río. o Realizar el esquema de la futura bocatoma, con los pre dimensionamientos correspondientes, tomando en consideración los ángulos de derivación, tanto para el barraje, compuerta de limpia y bocal de captación o Definir si el bocal de captación tendrá rejilla, compuerta, las dos o ninguna de ellas. Lo que definirá al respecto, será el arrastre de sólidos, tanto de fondo como de flotación (arrastre de sólidos en suspensión como ramas, basura, etc.) Para el cálculo del bocal o ventana de captación se siguen dos procedimientos: a) Cuando se emplea la ecuación de la energía (Bernoulli), a partir del canal aductor o de derivación. b) Cuando se considera el ingreso del caudal como un orificio ahogado o un vertedor. El primer caso se dará cuando el río está en máxima avenida y el segundo cuando el río está en su mínima avenida o estiaje. De ambos procedimientos el más minucioso es el primero puesto que analiza las pérdidas de carga, originadas por las características de diseño de la bocatoma. Para el caso del presente ejemplo se van analizar ambos procedimientos. 3.5.1

CÁLCULO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN CONSIDERÁNDOLO COMO UN VERTEDERO U ORIFICIO AHOGADO Los datos requeridos previamente para el diseño deben ser: o Caudal de captación (m3/s), para nuestro caso es de 0.50 m 3/s o Longitud de la ventana de captación (m), para el ejemplo se asume 1.00 m.

18


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

o Altura de la ventana de captación (depende del arrastre de sólidos del río, se recomienda una altura entre 0.40 m a 0.60 m. dependiendo del tipo y cantidad de sólidos. Para nuestro caso consideraremos 0.50 m.

Ho= 0.50 m

Se utiliza la fórmula de vertederos: 3

Dónde:

2

Despejando h

Q  C.L.h 2

 Q 3 h   C.L 

Q = Caudal de diseño o captación L = Longitud de las ventana de captación C = Coeficiente del vertedero (1.84) h = Altura de la ventana de captación. h = (0.75/1.84*1.80)0.667 = 0.37m.

h = 0.40m

Se asume h = 0.40 m. por procedimiento constructivo, calculando luego el exceso de caudal que ingresará por la ventana: Q = 1.84*1.80* (0.84)1.5 = 0.84 m3/s

Q = 0.84 m3/s

Si se comporta como orificio ahogado (en avenida), se aplica la siguiente relación:

Q  Cd * A * (2 gh) Donde

19

Q = Cd = A = h =

1 2

Caudal de diseño, en m3 /s. Coeficiente de descarga del orificio = 0.75 Superficie del orificio en m2 (A = 1.20*0.40 = 0.48 m2) pérdida de carga (diferencia entre el nivel agua dentro del registro y el nivel de agua en la sección arriba del vertedor)


DISEÑO DE BOCATOMA

Despejando h :

IRRIGACIONES

 Q  Cd * A   h 2g

2

h = (0.75/(0.75*(1.80*0.40)))2/2*9.81 = 0.098 3.5.2

h = 0.10 m

Segundo procedimiento: Aplicando la ecuación de la energía para hallar las dimensiones de la ventana de captación.

3.5.2.1 Determinando las dimensiones geométricas e hidráulicas del canal de derivación Se recomienda que el canal de derivación sea rectangular por facilidad constructiva. Se aplica la fórmula de Manning: 2

V 

1

1 3 2 R S n

Dónde:

v = Velocidad en el canal (m/s) n = Coeficiente de rugosidad de Manning (0.014 para Cº) R = Radio Hidráulico del canal (m) S = Pendiente del canal (s = 0.001 para el ejemplo)

Se sabe que: A = (b*y) y R = Y/2 (por eficiencia hidráulica) y Q = AV b = 1.00 (se asume ese ancho para el caso del ejemplo) Entonces la fórmula de Manning será: 2

2

1

A Q  R3S 2 n

Reemplazando valores:

Despejando Y, o por tanteos:

Y = 0.61

1.20Y   Y  3 0.00112 0.75    0.014  2 

y = 0.61 m

Algunos investigadores plantean relaciones en base al área del canal: Molesword:

Y

A 3

Etcheverry:

Y

1 A 2

Por tanto el área será: A = b*y

= 1.2 * 0.61 = 0.73

A = 0.73 m2

El Radio hidráulico será: R = y/2 = 0.61/2 = 0.305 R = 0.305 m

20


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

La velocidad será:

V = Q/A V = 0.75/0.73 = 1.03

V = 1.03 m/s

El borde libre se estima en t = 0.19 m, por lo que el diseño del canal de derivación tendrá la siguiente sección:

t= 0.19 m

Y= 0.61 m

b= 1.20 m

3.5.2.2 Aplicación de la ecuación de la energía (Bernoulli) para el cálculo de la ventana de captación Bernoulli entre 1-2: Como en canales, el agua circula a presión atmosférica, por lo que Bernoulli se aplica como sigue:

Z 2  Y2 cos   

2

2

V2 V  Z 1  Y1 cos    1  hf 2g 2g

El ángulo  , mide la inclinación entre el punto 1 y el punto 2, cuando es muy pequeña, se considera 0º (cos 0º = 1). El ángulo  , mide la variación angular en el plano horizontal, al no haber variación, tiende a 1. hf es la pérdida de carga en el punto 1, como éste es un canal con flujo laminar, no se considera pérdidas de carga (hf = 0). Como A = b*Y, b = 1.20 m, Q = 0.75 m3/s y Q = AV, entonces V = 0.75/1.20*Y V = 0.63/Y Reemplazando valores: -0.20 + Y2 + (0.63/Y2)/19.62 = 0.00 +0.61 + (1.032/19.62) Resolviendo por tanteos:

21

Y2 = 0.82 m


DISEÑO DE BOCATOMA

Hallando V2:

IRRIGACIONES

V2 = 0.75/1.20*0.82 = 0.76

V2 = 0.76 m/s

Bernoulli entre 2-3 2

Z 3  Y3 cos   

2

V3 V  Z 2  Y2 cos    2  Hf 2g 2g

1.00 1.00

1.80

1.20 4

3

2

1

En el punto 2, se produce pérdida de carga por el cuenco amortiguador o poza de disipación, lo que se calcula con la fórmula de Darcy-Weisbach: hf  f .

Dónde:

L v2 . D 2g

hf = Pérdida de carga debida a la fricción. f

= Factor de fricción de Darcy (adimensional).

L

= Longitud del canal de ingreso (para el ejemplo: 3.0m).

D = Tirante en la poza o cuenco. v

= Velocidad media del fluido.

g = Aceleración de la gravedad: g = 9,81 m/s2. La pérdida de fricción para el flujo en tuberías puede aplicarse a escurrimientos uniforme y casi uniforme en canales abiertos. El valor del factor de fricción de Darcy, y la ecuación utilizada para su cálculo, depende del régimen de flujo. En régimen laminar la expresión general desarrollada es la siguiente (Pavlov, 1981): f 

K Re

Dónde: K4 = Factor numérico que depende de la forma del canal ( K=24 para canales rectangulares y K=14 para canales triangulares).

4

En la región laminar: K es más alto que en canales lisos y varía entre 60 a 33. En la región turbulenta: La forma de canal tiene un efecto pronunciado sobre el factor de fricción y decrece.

22


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Re = Número de Reynolds, dependerá en cierta forma del tipo de canal. El valor varía entre 500 a 600 (Ven Te Chow pag 15, Hidráulica de Canales Abiertos). hf 

hf = 0.0031 m

24  2.00   0.76 2    0.0031  * 500  0.82   19.62 

Como A = b*Y3 b = 1.20 m (Se considera un ancho uniforme en todo el canal de ingreso), Q = 0.75 m3/s y Q = AV, entonces V3 = 0.75/1.80*Y = 0.42/Y Reemplazando valores: 2

 0.42    Y3  0.76 2 0.60  Y3    0.20  0.82   0.0031 19.62 19.62

Resolviendo por tanteos: Y3 = 0.39 m = 0.40 Hallando V3:

V3 = 0.42/1.00*0.40 = 1.05

V3 = 1.05 m/s

En la ventana de captación se producen pérdidas de carga por contracción en las paredes laterales y por rejilla (en el caso de que se considere en el diseño). Para analizar su incidencia en la ventana de captación y en el caudal a captar para compensar éstas pérdidas, se aplica Bernoulli entre 3 y 4.

4201.00msnm 4200.50 4200.02msnm 4199.92 msnm

Cálculo de Bernoulli entre 3 – 4: Z 4  Y4 Cos  

2

2

V V4  Z 3  Y3Cos   3  hf 2g 2g

Previamente debe calcularse la pérdida de carga por rejilla, para lo cuál debe conocerse el número de varillas en la rejilla: h

Dónde:

Lt 1 d

h = Número de barrotes en la rejilla Lt = Longitud del bocal de captación

23


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

d = Separación entre ejes de cada barrote o varilla.

Las rejillas pueden fabricarse de varillas (sección circular) o platinas unidas mediante soldadura formando paneles. Es recomendable que la separación entre varillas sea de 0.025m a 0.10m para material fino y de 0.10m a 0.20m para material grueso. La distancia entre varillas o platinas se toma entre ejes. La rejilla puede colocarse con inclinaciones entre 75º a 90º, para facilitar su limpieza. Para el caso del ejemplo, las varillas de la rejilla serán de acero liso perfil circular de ¾” (2 cm). Se considera rejilla para eliminar material grueso por lo que se considera una separación de diez centímetros. h = Lt/d – 1 = (1.20/0.12) -1 = 9.0

h = 9 varillas

La pérdida de carga por rejilla se calcula por medio de las siguientes relaciones: 4

2

hr  C

 S 3 C     Sen b

Vr 2g

Dónde: C = Coeficiente de la sección transversal  = Coeficiente que depende de la sección transversal (2.42)

S = Espesor de la reja b = Longitud libre entre barras Φ = Ángulo de inclinación de la reja (de 75º a 90º). Asumo 85º Φ = Ángulo de dirección de flujo en relación a la ventana (varía de 20º a 60º correspondiendo 2 a 6 respectivamente). Asumimos 30º o 3 Vr = Velocidad en la rejilla (velocidad en la ventana, V = Q/A = 0.75/0.73 = 1.03 m/s). 4

Aplicando: hr  C

2

Vr 2g

 

 2 3 C  2.42  Sen 85  0.221  12 

C = 0.221

1.032 hr  3 * 0.221  0.036 19.62

hr = 0.036 m

La pérdida de carga por contracción se calcula por: hc  Kc

24

Vr 2 2g

hc  0.23

1.03 2  0.012 19.62

hc = 0.012 m


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Dónde: Kc = Coeficiente de entrada (depende de las características de las aristas de entrada, ver cuadro adjunto). Kc = 0.23 Tipo de entrada a la ventana Kc Entrada abocinada 0.04 Arista redondeada 0.23 Arista recta 0.50 Pérdida de carga total: Hftotal = 0.048 m

hftotal  hr  hc  0.036  0.012  0.048

Aplicando Bernoulli entre 3-4:

2

Z 4  Y4 

2

V4 V  Z 3  Y3  3  hf 2g 2g

2

0.0  Y4 

V4 1.032 0.174  0.60  0.40   0.048  19.62Y4   19.36 2 2g 19.62 Y4

Resolviendo por tanteos: Y4 = 1.10

Y4 = 1.10 m

Por lo que debe garantizarse una carga hidráulica de Y4 = 1.10 m, además de una velocidad mínima de: V4 

Q 0.75   0.38 hY4 1.80 *1.10

V4 = 0.38m/s

Verificando las características hidráulicas del río, observamos que la velocidad y el tirante son: = 1.98 m/s y Y= 1.14 m

V

Por lo tanto se garantiza la condición de carga. Las dimensiones finales de la ventana serán de 1.80 m * 0.40 m 3.6 DISEÑO DE PRESA DE DERIVACION Esta obra sirve para derivar las aguas hacia la ventana de captación en épocas de estiaje; en épocas de avenida descarga las aguas excedentes por encima de su cresta; por esa razón el diseño debe ejecutarse para la máxima avenida probable. 3.6.1

DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DE LA PRESA DE DERIVACIÓN

Tiene por objeto asegurar la derivación del caudal necesario hacia el canal principal o de conducción y permitir el paso de los excedentes por encima de su cresta.

25


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Pueden utilizarse dos criterios: El primero considera:

P  H 0  H  0.18

Dónde: P = Altura del Barraje (m) Ho = Altura del umbral de la ventana de captación H = Altura de la ventana de captación 0.18= Altura de sobre elevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador), evita el ingreso de elementos flotantes por el bocal de captación. El segundo considera:

Cc  Co  H 0  H  0.20

Dónde: Cc = Cota de la cresta del barraje H0 = Altura de la base de la ventana de captación (recomendable ≥ 0.60m depende del tamaño de obra) H = Altura de la ventana de captación. 0.20= Altura de sobreelevación del agua (dato que puede variar según el criterio del diseñador). Tiene el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de fórmula. De acuerdo a los datos de diseño, se tiene: H = 0.40 m (calculado) Ho = 0.40 m. Co = 4200.00 m.s.n.m. Cc = 4200 + 0.40 + 0.40 + 0.20 = 4201.00msnm

Cc = 4201.00 msnm

Un dato necesario para el diseño, es el caudal máximo: 3.6.2

Qmax = 21.78 m3/s

CÁLCULO DE LA ALTURA DE CARGA

Se asume que el barraje es un vertedero de pared gruesa, por lo que su diseño se realiza con la fórmula de Francis (en particular cuando son vertederos tipo WES o CREAGER):

Q  CLH e

1.5

Donde: He = Altura total de la energía sobre la cresta (m) C = Coeficiente de descarga para vertederos (C = 2.1) L = Longitud del barraje (m) Vente Chow (1984), considera que, cuando la altura P del vertedero es mayor que 1,33Hd (Hd es la altura de carga sin considerar la velocidad de aproximación entrante), entonces la velocidad entrante es despreciable. Entonces: P / Hd > 1.33

26

Ha = 0

Carga de velocidad entrante despreciable


DISEÑO DE BOCATOMA

P / Hd < 1.33

Ha ≠ 0

IRRIGACIONES

Carga de velocidad entrante apreciable

Bajo la primera condición (Ha despreciable), el coeficiente de descarga C es Cd = 1.859 (Francis). En la segunda condición, la velocidad entrante será apreciable sobre la descarga o el coeficiente de descarga y por tanto en el perfil del nivel freático.

4200.00

Dónde: Ha = Carga de la velocidad de aproximación. Hd = Carga de agua sobre la cresta He = Carga total de agua sobre la cresta P = Altura del Barraje H1 = Altura total de caída H = Profundidad del pozo H2 = Altura del agua antes del Resalto H3 = Tirante de aguas abajo Aplicando la fórmula fundamental de vertimiento en sección rectangular de Bazin, hallamos Hd :

Dónde:

Q = Caudal máximo en m3/s (Qmax = 21.78 m3/s)  = Coeficiente = 0.75

Hd = Altura de carga sobre el barraje V = Velocidad del río (1.98 m/s) B = Ancho del río en el eje de toma (14.50 m) 21.78 



2 0.75 *14.50 * 19.62 3



 H 

d



1.98 2   19.62 

3/ 2

 1.98 2      19.62 

3/ 2

  

Hd = 0.68 m

Valores de Cw para la fórmula de Bazin

27


DISEÑO DE BOCATOMA

Hd/h 0.5 1.0 2.0 10.0 \infty

IRRIGACIONES

h=0.05 2.316 2.082 1.964 1.870 1.846

h=0.10 2.285 2.051 1.933 1.839 1.815

h=0.20 2.272 2.037 1.919 1.824 1.801

h=0.40 2.266 2.030 1.912 1.817 1.793

h=0.60 2.263 2.027 1.909 1.815 1.791

h=0.80 2.262 2.026 1.908 1.814 1.790

h=1.00 2.262 2.025 1.907 1.813 1.789

h=1.50 2.261 2.024 1.906 1.812 1.788

Entonces se tiene: P/Hd > 1.33

1.05/0.64 = 1.64

Es mayor a 1.33, por tanto ha es despreciable Por otro lado se tiene: 0.54 P/He < 0.93

0.54 * 0.85/0.84 = 0.54 < 0.93

A pesar que Ha es despreciable, por seguridad se aplica: ha = 0.08 He (Ven Te Chow - Hidráulica de canales abiertos-1984). Según la figura:

Hd + Ha = He

y

Hd = 0.92 He

Hd = He – 0.08 He He = 1.087 Hd

He = 1.087*0.68 = 0.73 m

He = 0.73 m

Aplicando FRANCIS: Q = CL He3/2 He = (Q / CL)2/3 = (21.78 / (2.1*14.50))2/3 = 0.84 m. C = 2.17 según la tabla adjunta para una relación Como:

P / Hd = 1.50

He = 1.087 Hd Hd = He/1.087 = 0.84/1.087 = 0.77 Hd = 0.77 m. = 0.77 m.

BIEN!

Por seguridad se utiliza el mayor valor 0.70 Entonces: Ha = 0.08 He Ha = 0.08 * 0.84 = 0.067 m. Ha = 0.067 m. Cálculo de la longitud efectiva del barraje: Le = Lo – 2 (NKp + Ka)He Dónde:

He = Longitud efectiva del barraje (cresta). Lo = Longitud real de la cresta del barraje. N = Número de pilares. Ka = Coeficiente de contracción lateral por muros. Kp = Coeficiente de contracción por muros. He = Carga de operación (agua total sobre la cresta).

28


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Kp varía de 0.025 a 0.10 dependiendo de las características geométricas y acabado de los muros. Ka es de 0.10 en crestas por pilar. Le = 15 – 2 (0Kp + 0.10)*0.84 Le = 13.16m. Cálculo de la velocidad de acercamiento: Q = VA

A = Bo (P + Hd) ; Bo ancho del río 14.50

V = Q / [Bo(P + Hd)] = 21.78/ [14.50(1.00 + 0.77)] = 0.85 m/s La altura de la velocidad de acercamiento será: ha = V2/2g = (0.85)2 / 19.62 = 0.037 m. Que es aproximado: 0.067 m. b) Cálculo de los Elementos HIDRAULICOS DEL BARRAJE Y1  P  He  1.1 *

Q2 Y12 * B 2 * 2 g

La velocidad de acercamiento será: Va=0.85m/s 3.6.3

CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS HIDRÁULICOS DEL BARRAJE

3.6.3.1 DETERMINACIÓN DEL PERFIL DE BARRAJE Se debe seleccionar un perfil que, evite las presiones negativas, permita a la máxima eficiencia hidráulica, practicabilidad, estabilidad, economía. El perfil seleccionado es del tipo WES (Waterways Experimental Station) desarrollado por el USACE (United States Army Corps of Engineers):

x n  KHd n 1Y X Y = coordenadas del perfil de la cresta Hd = carga neta del diseño, sin incluir la altura de la velocidad de aproximación K y n = Parámetros que dependen de la inclinación de la superficie de aguas arriba. Inclinación cara aguas arriba Vertical 3a1 3a2 3a3

29

K

2,00 1,936 1,939 1,873

n

1.85 1.836 1.810 1.776


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Según cuadro: Para pared vertical:

K= 2.00 n= 1.85 Hd = 0.77

Reemplazando: 𝒙𝟏.𝟖𝟓 = 𝟐. 𝟎𝟎(𝟎. 𝟕𝟕)𝟏.𝟖𝟓−𝟏 𝒀 ;

𝒙𝟏.𝟖𝟓 = 𝟏. 𝟔𝟎𝒀

Tabulando tenemos: x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

y

0.000

0.009

0.032

0.067

0.115

0.173

0.243

0.323

0.414

0.514

0.625

0.746

0.876

1.015

1.165

Entonces: R1  0.5Hd

R1 = 0.5(0.77) = 0.385 m R2  0.2 Hd

R2 = 0.2(0.77) = 0.154 m L1  0.282 Hd

L1 = 0.282(0.77) = 0.22 m L2  0.175Hd

L2 = 0.175(0.77) = 0.135 m

30


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

3.6.3.2 DETERMINACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO AL PIE DE PRESA El resalto hidráulico se produce por el paso brusco del régimen supercrítico al régimen subcrítico en un tramo corto. 𝑞=

𝑄 21.78 𝑚3 = = 1.50 𝐿 14.50 𝑠∗𝑚

a) Cálculo del gasto unitario: El esquema del barraje

4201.00msnm

4200.00msnm 3899.7 4199.92 msnm

He = 0.84 m

H2 = P + He = 1.00 + 0.84 = 1.84 m

HQ = 0.067 m

H1 = P + h = 1.00 + 0.40 = 1.40 m Hd = 0.77 m

H1 = H0 + Hd = 1.40 + 0.77 = 2.17 m

b) El resalto se calcula con la fórmula para pérdidas de energía.

q 2  2g ( H1H 22 

n2 g 2 H O  H 23 ( Hd )4/ 3

Dónde: q= caudal o gasto unitario

H1 = altura total de caída H 2  Tirante antes del resalto HO

= altura del barraje mas la profundidad del pozo

Hd

= altura neta antes de la caída

n = coeficiente de rugosidad (concreto liso 0.015) Reemplazando: (1.429)2  19.62(1.98H 22 

31

(0.015)2 (9.81)21.35  H 23  (0.63)4/ 3


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

𝟐

(𝟏. 𝟓𝟎) =

(𝟏𝟗. 𝟔𝟐)((𝟐. 𝟏𝟕)𝑯𝟐𝟐

−

(𝟎. 𝟎𝟏𝟓)𝟐 (𝟗. 𝟖𝟏)𝟐 (𝟏. 𝟒𝟎) 𝟒 𝟎. 𝟕𝟕𝟑

− 𝑯𝟑𝟐 )

H2 = 0.28 Se asume:

H 2  0.30

c) Cálculo del tirante aguas abajo del resalto Se calcula con la fórmula de tirante conjugada: H3  

H 2 H 22 2H 2V22 1/ 2 (  ) 2 4 g

V2 = velocidad al pie de la presa H 2 = Tirante aguas arriba del resalto =0.30m H 3 =Tirante aguas abajo del resalto La velocidad será: 𝑽𝟐 =

𝑸 𝟐𝟏. 𝟕𝟖 = = 𝟓. 𝟎𝟎 𝒎/𝒔 𝑳𝑯𝟐 𝟏𝟒. 𝟓𝒙𝟎. 𝟑𝟎

Reemplazando: 𝟎. 𝟑𝟎 𝟎. 𝟑𝟎 𝟓. 𝟎𝟎𝟐 𝑯𝟑 = − +( + 𝟐𝒙𝟎. 𝟑𝟎𝒙 ) 𝟐 𝟒 𝟗. 𝟖𝟏

𝟏/𝟐

H3  0.15  1.226  1.0765m La presencia de supresiones al pie de la presa pueden producir fallas en la estructuras, por tanto es conveniente saber si se producen el resalto hidráulico. d) Verificación de presencia de Subpresiones:

H 31  (

V2 H 2 H 22   2H 2 2 )1/ 2 2 4 g 𝟎. 𝟑𝟎 𝟎. 𝟑𝟎 𝟓. 𝟎𝟎𝟐 𝑯𝟑 = +( + 𝟐𝒙𝟎. 𝟑𝟎𝒙 ) 𝟐 𝟒 𝟗. 𝟖𝟏

𝟏/𝟐

H 31  1.354m L=

32


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

L  0.612  5 1.88 

1/ 2

H3

1.354>1.08

Por tanto existe resalto hidráulico, ello origina sub-presiones motivando el cálculo del contra escarpe o cuenca amortiguadora. e) Cálculo de la cuenca amortiguadora (poza de amortiguamiento, contraescarpe). Existen diversos criterios para determinar la longitud de la cuenca amortiguadora: POR LINQUIST:

L  5  H3  H 2  L = 5(1.076 – 0.30) =3.88 m POR EL USBR (United Status Borean of Reclamation)

L  4H3 L  4 1.08  4.32m POR SCHOKOLITSCH

L  0.612c  H 

1/ 2

Dónde:

L  0.612  5 1.88 

1/ 2

L  4.19m

H  Hd  P  H 2 H  0.63  0.95  0.30  1.88m

C= coeficiente entre 4 a 6, adoptamos un promedio=5 POR BECERRIL

L  10 H 2 L  10  0.30  3.00m POR LAFRANETZ

L  4,5H 3 L  4,5 1.08  4.86m POR PAULOVSKI

L  2,5(1.4H3  H 2 )

L  2,5 1.4 1.08  0.30  3.03m De acuerdo a los datos obtenidos, asumiendo la mayor longitud:

L  4.86  5.00m F) CÁLCULO DE LA CURVATURA AL PIE DEL BARRAJE: La superficie del barraje al inicio de la poza tendrá una curva de radios, dada por:

33


DISEÑO DE BOCATOMA

R  10

Y2  6.4 Hd 16 

IRRIGACIONES

 3,6 Hd  64 

Dónde: V2 = 5.00 m/s Hd = 0.77 m La fórmula está en unidades inglesas, es necesario cambiar las unidades de los datos: 1 pie =0.3048m

1m=3.281 pies

V2 = 5.00 x 3.281 = 16.405 m/s Hd = 0.77 x 3.281 = 2.53 m Reemplazando: (

𝑹 = 𝟏𝟎

𝟏𝟔.𝟒𝟎𝟓+𝟔.𝟒𝒙𝟐.𝟓𝟒+𝟏𝟔 ) 𝟑.𝟔𝒙𝟐.𝟓𝟒+𝟔𝟒

R = 4.62 pies R = 1.41 m También se usa la relación: R = 1.5 Hd

g) verificación de la longitud necesaria de infiltración Esta verificación es necesaria para evitar la tubificación por debajo de la presa y eliminar los efectos de las subpresiones. Se calcula por la fórmula de E. W. Lave:

1 Lh  Lv 3 c H Dónde: c = coeficiente según el tipo de suelo de cimentación. Lh = longitud horizontal (se considerarán longitudes rectas o inclinadas < 45º) Lv = longitud vertical (longitudes vertical > 45º) H = carga efectiva del agua

34


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

4201.00msnm

0.77

4199.92 msnm

0.30

1.08

0.40

1.00

0.30

0.10 0.40

0.40

0.70

0.40

0.60

0.80

0.60 0.85

4.20

0.40

0.30

1.50

10.00 VALORES DE C CLASE DE MATERIAL Limo o arena fina Arena fina Arena de grano grueso Grava y arena Cascajo con grava y arena

C 18 15 12 9 6-4

Lh  0.30  0.80  0.60  4.20  0.40 Lh  6.30m Lv  1.50  0.70  0.60  0.40  0.40  0.90 Lv  4.50m Aplicando la fórmula: 1 6.30  4.50 c 3 1.076 c  6.13

Valor que está ubicado para un terreno de cascajo con grava y arena que es el suelo predominante en la zona de captación. Por lo tanto se adopta c=5. h) determinación de la subpresión Se determina la subpresión en diferentes puntos; para la condición de cuando el agua está a nivel de aguas en el colchón.

35


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

h   Sp  wbc´ h  X  L   Dónde: Sp=subpresión W= peso específico del agua (1Tn/m3) b=ancho de la estructura (1m) c´=factor de subpresión que depende de la porosidad del material varía de 0 a 1 (1 para concreto sobre material permeable). h=carga por perder. L=longitud de la infiltración. X=longitudes parciales de infiltración. Aplicando: h   Sp  wbc´ h  X  L   1.076   Sp  1x1x11.076  X 6.30   Sp  1.08  0.171X

PUNTO

H

X

B C D E F G H I J K L

1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076 1.076

1.500 1.600 2.300 2.570 3.170 3.360 3.770 5.170 5.570 5.700 6.600

0.194X Sp(Tn/m2) Sp(kg/m2) Sp/1.4 0.257 0.274 0.393 0.439 0.542 0.575 0.645 0.884 0.952 0.975 1.129

0.820 0.802 0.683 0.637 0.534 0.501 0.431 0.192 0.124 0.101 -0.053

819.500 802.400 682.700 636.530 533.930 501.440 431.330 191.930 123.530 101.300 -52.600

0.585 0.573 0.488 0.455 0.381 0.358 0.308 0.137 0.088 0.072 -0.038

i) Cálculo Del Enrocado De Protección O Escollera. Al final del colchón amortiguador o poza disipadora se coloca una escollera o enrocado con el fin de reducir la erosión y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la infiltración. La fórmula es la siguiente:

Lt  0.67cDb q   Lc

Dónde: Lt= longitud total de la escollera c= coeficiente de BLIGH

36


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

Db=altura comprendida entre la cota de la cresta del barraje y la cota del extremo aguas abajo. q=caudal unitario Lc=longitud del colchón o cuenca.

Db  4201.00  4199.92 Db  1.08m m3 seg .m Lc  4.20m c6 Lt  0.67 x61.08 x1.50  4.20 Lt  2.31m q  1.50

LECHO DEL CAUCE C (COEFICIENTE DE BLIGH) arena fina y limo 18 Arena fina 15 Arena de grano grueso 12 Grava y arena 9 Bolones y arena 4-6 Arcilla 6-7

4201

1.00 1.08 4200.02 0.40

4199.92

0.10

3.7 DISEÑO DE COMPUERTA DE LIMPIA El canal de limpia tiene por objeto eliminar los sedimentos que se depositan al ingreso de la ventana o compuerta de captación, posibilitando la captación en época de estiaje. La fórmula a utilizarse es la de VERTEDEROS DE FONDO:

37


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

2

2

VO V  h´ O 2g 2g del gráfico : HO 

2

VO  h´ 2g

h  HO 

q  ma2 gh  2 si h´ es alejado  h´ ma 1

q  ma2 gh  2 h  ho  ma 1

Dónde: q=caudal unitario (m3/s m) m=coeficiente de gasto=0.611 a=altura de la compuerta (m)=P-0.10=1.00-0.10=0.90m ≈ 1.00 m h=altura delante de la compuerta. Aplicando: 2

2

VO V  h´ O 2g 2g del gráfico : HO 

2

h  HO 

VO  h´ 2g

q  0.611x0.902 x9.81(1.00  0.611x0.90) 2 1

q  1.63m 3 / s m como la ven tan a captar 0.75m 3 / s entonces : Q  Qm  Qcap Q  2.60  0.75  1.85m 3 / s como se sabe : Q  qL Q 1.85 L   1.14m  1.20m q 1.63 L  1.20m

Por lo tanto la compuerta tendrá: 1.00x1.20= 1.20 m2 Por lo que se asume. El canal de limpia se calcula con el caudal a arrastrar las partículas: Q=1.30m3/s(caudal medio)

38


DISEÑO DE BOCATOMA

  0.595

IRRIGACIONES

3/ 2   S 1 / 2    V    Q1 / 2    n   

b  1m n  0.015 s  0.08 z0

1/ 2

3/ 2   0.081 / 2    V  0.5951.851 / 2    0.015    V  6.30m / s

1/ 2

Q 1.85   0.29m 2 V 6.30 A 0.29 y   0.29m b 1

A

tirante crítico :  Q2  y o   2  b g 

1/ 3

 1.85 2     2  1 9.81 

1/ 3

 0.70 m

Determinación de la sumergencia o no sumergencia al pie de la compuerta. a) para la avenida media

d  ma  0.611x0.90  0.55m P  0.90m 1/ 2

d  2q 2 d 2  h1       2  gd 4 

1/ 2

0.55  2 x1.632 0.552   h1      2 4   9.81x0.55 h1  0.75m h1  d

siendo h1  d el tirante normal , la desc arg a sera libre 3.7.1

DESCARGA A TRAVÉS DE LA COMPUERTA

a) para la avenida máxima H=p+He=1.00+0.73=1.73 m=0.60, entonces disminuye para grandes descargas. d=ma=0.60x0.90=0.54 m Se tiene la fórmula:

39


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

q  ma 2 gh h  ho  ma

q  0.60 x0.90 2 x9.81x1.73  0.60 x0.90  q  2.61m3 / s m 1/ 2

d  2q 2 d 2   d 2      2  gd 4 

1/ 2

0.54  2 x 2.612 0.54 2   d2      2 4   9.81x0.54 d 2  1.36 m

Considerando una descarga libre para un caudal por la compuerta y como primer tanteo se tiene: Q=qL=2.61x1=2.61m3/s

Si asumimos que para un Q=2.60m3/s 1/ 2

1/ 2 3 / 2     1/ 2  S   V   Q   n     

  0.595 b  1m n  0.015 s  0.08 z0 1/ 2

3/ 2   0.081/ 2    V  0.595 2.601/ 2    0.015    V  6.84m/s

A  0.38m 2 d  0.38m  tirante normal d o  0.847 m  tirante crítico como d 2  1.36  d  0.54, la desc arg a es libre entonces el caudal será : q  Qma2 g H  ma 

1/ 2

Q  0.96 coeficiente de pérdida 1

Entonces:

𝑞 = 0.96𝑥0.60𝑥0.90(19.62(1.73 − 0.60𝑥0.90))2 𝑞 = 2.50𝑚3 /𝑠𝑥𝑚

Entonces el caudal por la compuerta será: Q=2.50x1=2.50𝑚3 /𝑠 3.8 DISEÑO DE ALIVIADERO Cálculo de caudal en exceso:

40


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

0.73

0.93 0.20 0.40 0.40

1

3

3

l Qingreso= (2/3)𝐶𝐿(2𝑔2 (𝐻12 − 𝐻22 )) H1=0.40+0.20+0.73=1.33 m H2=0.20+0.73=0.93m 1

2

3

3

Q=(3) 0.60𝑥1.80(19.622 (1.332 − 0.932 )) Qing=2.03𝑚3 /𝑠 Qexceso=Qo-Qing=2.03-0.75=1.28𝑚3 /𝑠 Se calcula el tirante para este caudal: 1/ 2

1/ 2 3 / 2     1/ 2  S   V   Q   n     

n = 0.014 S = 0.001 𝛽 = 0.595 1/ 2

1/ 2 3 / 2     1 / 2  0.001   V  0.595 1.28   0.014     

V=1.17m/s 𝐴 = 1.09𝑚2 d=0.912m 𝑏 = 1.20 El esquema es:

41


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

2.21m

0.912

0.45

H1=0.912-0.45=0.462 m H2=H1/0.8=0.462/0.8=0.58 Cálculo de h h =(H1+H2)/2=(0.58+0.462)/2=0.52m Reemplazando es la fórmula 𝑄 = (2/3)𝜇ѵ√2𝑔𝐿ℎ3/2 Coeficiente=μ=0.55 (para canto rodado) Coeficiente=v=0.95 3

𝐿 = 3𝑄/(2𝜇ѵ√2𝑔ℎ2 ) 3

𝐿 = 3𝑥1.28/(2𝑥0.55𝑥0.95𝑥√19.62𝑥0.522 ) L=2.21m Asumimos L=2.30 m esto por factores de seguridad

42


DISEÑO DE BOCATOMA

IRRIGACIONES

4. CONCLUSIONES HHHHHHHHHHHHHHHH

5. PLANOS

GGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG

6. ANEXOS JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ

7. BIBLIOGRAFIA

Rocha Felices, Arturo; La Bocatoma, estructura clave en un proyecto de aprovechamiento hidráulico. UNI Lima 2008, Perú. Autoridad Nacional Del Agua; MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO, Lima, Diciembre 2010, Perú. Ing. Hurtado Chavez, Edgar Vidal; IRRIGACIONES; UNA PUNO 2012, Perú.

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Diseño de Bocatoma

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