TRABAJO TRABAJO PRÁCTIC PRÁCTICO O 5 AZUDES AZUDES – DIMENSIO DIMENSIONAMI NAMIENTO ENTO DE AZUDES AZUDES FIJOS DE HORMIGÓN Esquema general de los Azudes de Hormigón:
ACCIONES SOBRE LOS AZUDES:
- PRESIÓN AGUAS ARRIBA - CHOQUE DE LAS OLAS Zampeado aguas arriba
Azud
ESC ARPE - FUERZAS DE CAVITACIÓN EN EL ESCARPE
Zampeado aguas abajo
- PESO PROPIO
Dentellones
- PESO DEL AGUA SOBRE LA OBRA - TRÁNSITO SUPERIOR - FUERZAS DE IZAJE DE COMPUERTAS - SUBPRESIONES
Roca firme ESCARPE B
C
EMPUJE
ZAMPEADO A
D
TIPOS DE FALLAS EN LOS AZUDES 1- APLA APLASTAMIENT STAMIENTO O POR FALTA DE CAPA CAPACIDAD CIDAD DEL TERRENO TERRENO DE APOYO. APOYO. SOLUCIÓN: LIMITAR LA ALTURA, REDUCIR ESPESORES 2- DESLIZAMIENT DESLIZAMIENTO O HORIZONTAL. SOLUCIÓN: SOLUCIÓN: REDUCIR ALTURA, ALTURA, AUMENTAR PESO, DISMINUIR FILTRACIONES (SUBPRESIONES) 3- VU VUEL ELCO CO.. SOLUCIÓN: REDUCIR ALTURA, AUMENTAR PESO, DISMINUIR
FILTRACIONES (SUBPRESIONES), AUMENTAR BRAZO (MAYOR ZAMPEADO) Z AMPEADO) 4- SIFONAJE: SIFONAJE: PANTALLAS PANTALLAS HORIZONTALES HORIZONTALES Y VERTICALES, VERTICALES, CAMBIO DE SUELO, GEOTEXTIL CON ENROCADO AL PIE 5- ROTURA DEL ZAMPEADO ZAMPEADO POR SUBPRESI SUBPRESIÓN: ÓN: DRENES, AUMENTO AUMENTO DE PESO PESO 6- CAVITACIÓN: CAVITACIÓN: PERFIL PERFIL CREAGER U OTRO 7- EROSIÓN DE PIE PIE DE PRESA. SOLUCIÓN: SOLUCIÓN: CUENCO AMORTIGUA AMORTIGUADOR, DOR, SALTOS DE SKY O DADOS DISCIPADORES, PROTECCIÓN CON ENROCADOS O COLCHONETAS 8- ROTURAS ROTURAS EN LA OBRA POR ESFUERZOS ESFUERZOS SUPERADOS SUPERADOS EN ACEROS ACEROS U HORMIGONES. FALLA DE DIMENSIONAMIENTO ESTRUCTURAL
CÁLCULOS Y VERIFICACIONES 1- AP APLA LASTA STAMIEN MIENTO TO
E
h
W
ACCIÓN
Presión=W/A
RESISTENCIA
σadm
FACTOR DE SEGURIDAD
/Presión ón σadm /Presi
> 1.5-2 1.5-2
e
3 / h
S
l Subpresión
2- DESLIZA DESLIZAMIEN MIENTO TO
3- VU VUEL ELCO CO
ACCIÓN
Eh=γ . h2/2 γ.h
ACCIÓN
Mv=Eh.h/3+S.l
RESISTENCIA
Ff=µ.(W-S)
RESISTENCIA
Me=W.e
FACTOR DE SEGURIDAD
Ff/Eh > 1.5-2
FACTOR DE SEGURIDAD
Me/M Me/Mvv > 1.51.5-22
4- SIFONA SIFONAJE JE Y 5- SU SUBP BPRE RESI SION ONES ES
h A
1 h
2 h
Nflujo N equipotenciales Q =
N T N e
. K . b
4- SIFONAJE SIFONAJE MÉTODO MÉTODO DE DE LA ROTURA ROTURA HIDRÁ HIDRÁULICA ULICA COMPENSADA COMPENSADA v = K . i = K .
∆ H L
C = LT / Hef LT = C x Hef. Criterio de BLIGH LT = Σ (LV + LH)
MATERIAL
RELACIÓN C
Arena Muy Fina o Limo
8.5
Arena Fina
7.0
Arena Media
6.0
Arena Gruesa
5.0
Grava Fina
4.0
Grava Media
3.5
Grava Gruesa, incluyendo incluyendo Cantos
3.0
Boleo con algo de Cantos y Grava
2.5
Arcilla Blanda
3.0
Arcilla Media
2.0
Arcilla Dura
1.8
Arcilla Muy Dura
1.6
Criterio de LANE (mejora a Bligh considerando considerando que las pantallas horizontales son menos efectivas que las verticales) LT = Σ (LV + LH /3) LT es la distancia de ruptura compensada
5- SUBP SUBPRESION RESIONES. ES. MÉTODO MÉTODO GRAFICO GRAFICO QUE PERMITE PERMITE DETERMINA DETERMINAR R EL DIAGRAMA DE PRESIONES SOBRE LA ESTRUCTURA
H
1 H
Sección crítica
A
2 H
B
F
E
A
B
C
C B
Subpresión
D
E
F H2
P
H1
Hº P = e (γ Hº
D E
–1)
⇒
P e= γ H − 1
e=
P .4 (γ H − 1) 3
Perfil de CREAGER (tipo parabólico)
6- CA CAVI VITA TACI CIÓN ÓN
0.3
Perfil Creager
Y
Para h = 1 m
Perfil SCIMENI
X
X Para h = 1 m
R 0 ,4 h
Y
Para h = 1 m
x
y
0 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,7 2,2 2,7 3,2 3,7 4,2
0 0,007 0,054 0,135 0,248 0,39 0,555 1,22 1,95 2,81 3,81 4,96 6,22
Y
X
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,7 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0,126 0,036 0,007 0 0,007 0,06 0,142 0,257 0,397 0,565 0,87 1,22 1,96 2,82 3,82 4,93 6,22
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION Los parámetros que influyen en la curva de descarga son: * Altura de la Barrera P * Carga Hidráulica Ho (incluye la altura de velocidad) v elocidad) * Inclinación del Paramento aguas arriba arriba * Situación de sumergencia aguas abajo * Interferencia de Pilas y Estribos ECUACIÓN DE LA CURVA
ECUACIÓN DE GASTO
LONGITUD EFECTIVA REDUCIDA
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION - FORMA DE LA CURVA
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION RECLAMATION - DETERMINACIÓN DE K y n
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION - CÁLC CÁLCULO ULO DE LOS LOS RADIOS RADIOS DE ENTRADA ENTRADA
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION - DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DE GASTO C EN FUNCIÓN FUNCIÓN DE P y Ho
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION CORRECCIÓN DEL COEFICIENTE COEFICIENTE Co PARA CARGAS DISTINTAS DISTINTAS A LAS DE DISEÑO DEL PERFIL
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION CORRECCIÓN DEL COEFICIENTE C EN FUNCIÓN DEL TALUD DEL PARAMENTO AGUAS ARRIBA
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION COMPORTA COMPORTAMIENT MIENTO O EN LA SALIDA SALIDA – EFECTOS EFECTOS AGUAS AGUAS ABAJO - SUMERGENC SUMERGENCIA IA
MÉTODO MÉTODO DEL BUREAU BUREAU OF RECLAMATION RECLAMATION - CORRECCIÓ CORRECCIÓN N DEL COEFICIEN COEFICIENTE TE Co PARA TORRENTE TORRENTES S
MÉTODO DEL BUREAU OF RECLAMATION CORRECCIÓN DEL DEL COEFICIENTE COEFICIENTE Co PARA VERTIDOS VERTIDOS SEMI-SUMERGIDOS SEMI-SUMERGIDOS
EJERCICIO EJERCICIO PRÁC PRÁCTICO TICO - DA DATOS TOS Se desea derivar agua del río Chubut, mediante un azud y una obra de toma para abastecimientos múltiples. Se ha encontrado una posición conveniente conveniente para el Azud de acuerdo a su ubicación respecto al aprovechamiento y a las condiciones geológico-geotéc geológico-geotécnicas nicas y topográficas. La Cota del fondo del Río en la zona del Azud es de 720 msnm. El análisis técnico-económico técnico-económico de la obra de conducción indica que es conveniente tener una energía en el inicio dada en metros de 724.5 msnm. El Río presenta una sección asimilable a rectangular de 15m de ancho con una pendiente de 0.001 y una rugosidad de 0.033. La topografía aguas arriba y la curva de remanso han arrojado como valor de cota de desborde en el azud 727.50, requiriéndose según según el riesgo evaluado una revancha de 1m respecto a esta cota para el nivel máximo de agua permitido. El suelo de Fundación se trata de Gravas medias. Se desea construir un paso vehicular sobre el Azud con Pilas espaciadas no más de 6 m por razones de economía de la superestructura vial. El régimen Hidrológico del río según los aforos existentes y las demandas de la toma según los estudios efectuados se presentan en el siguiente cuadro. Diseñar de ser posible, un AZUD FIJO DE HORMIGÓN. HORMIGÓN. Plantear otras alternativas para una sección similar del río que presenta sólo 10m de ancho Cota Río
720 m
Suelo de Fundación: Grava Media C
Mes Enero 724,5 m febrero M arzo 15 m Abril Mayo 727,5 m Junio Julio 1m Agosto 6 m/vano m/vano Septiembre Octubre 0,001 Nov iembre Diciembre 3,5
Coeficiente de Manning
0,033
Cota Energía Inicial de la obra de conducción Ancho del Río en la Zona del Azud Cota de Desborde del Río Según Curva de Remanso Revancha aceptable para desbordes en la zona Pilas para Puente Vehicular Vehicular Superior Superior Pendiente del Cauce Aguas Abajo
Q mín m3/s 8 7 10 15 22 30 32 32 28 20 14 9
Q máx Demanda m3/s m3/s 18 5 15 5 21 4 34 3 45 2 55 1 55 1 55 1 50 2 40 3 30 4 20 5
1- Determinación Determinación de la Altura del Azud La altura se adopta en función del la cota de energía de entrada, dejando 50 cm para pérdidas en la toma y embocadura Si bien habrá una lámina escurriendo sobre el Azud casi siempre, vemos que en el mes de Febrero, ésta será muy pequeña, pequeña, por lo l o que directamente damos la altura de barrera necesaria para llegar a la energía solicitada sin escurrimientos sobre el azud Altura de la Barrera Cota de la Barrera
5m 725 m
2- Cálculo de la curva de Descarga - Método del Bureau of Reclamation Los parámetros que influyen en la curva de descarga son: * Altura de la Barrera P * Carga Hidráulica Ho (incluye la altura de velocidad) * Inclinación del Paramento aguas arriba * Situación de sumergencia aguas abajo * Interferencia de Pilas y Estribos Verificaremos si el Qmax pasante pasante se puede dar con el Azud Fijo sin sobrepasar sobrepasar la cota máxima máxi ma aceptable para inundaciones inundaciones El caudal máximo máxi mo corresponde corresponde a los meses m eses de invierno, luego verificaremos v erificaremos si un 20% más de caudal no genera desbordes desbordes por más que se reduzca la revancha. La carga máxim a deberá llegar entonces 1m por debajo de la cota de inundaciones Caudal Máximo de diseño Carga Máxima para el Caudal de diseño
54 m3/s 1.5 m
h
Meses de Inv ierno Dejando 1m de rev ancha
Como la curva de descarga depende de la situación aguas abajo, calculamos el nivel de energía aguas abajo suponiendo escurrimiento normal en una sección rectangular de 15m de ancho con rugosidad 0,033. Se puede suponer esta situación ya que el río mantiene m antiene la geometría una gran longitud aguas abajo, abajo, sin interferencias. interf erencias. Si esto no fuera así deberíamos modelar el funcionamiento f uncionamiento del Río aguas abajo para diferentes dif erentes caudales. caudales. Altura de aguas abajo suponiendo canal con 0.033 B H2 A PM
2.48 m 15 2.48 37.2 19.96
RH c v Q
1.86 33.62 1.45 53.99
Con la Simbología del B of R Carga hidráulica sobre el ve vertedero Ho Prof undidad de agua en el v ertedero P Talud del Paramento Aguas Arriba P/H A- Obtenber Coeficiente de gasto con P/Ho Co Figura 9-23
1.5 m 5m Z
3.95
B- Corregir por paramento aguas arriba inclinado incli nado con P/Ho y Talud Cincl/Cv ert Figura 9-25 Cincl 2.164 C- Verificación de la Altura de Velocidad q=C.H^(3/2) q P+H v =q/(P+H) v hv =v ^2/(2.g) hv
debería incluir la altura de v elocidad pero es despreciable En este caso es la Altura del Azud. En presas no v ertical 3.33 m 2.16 en en SI
se multiplica por la Raiz de 0,3 m/f t
1 En este caso es v ertical, igual inside poco
3.97 6.50 0.611 0.019
m3/s/m m m /s m Como v emos es despreciable
D- Verificación de variación del coeficiente de gasto según las condiciones aguas abajo hd+d 6.5 m d: tirante aguas abajo H2 para nosotros hd: altura de veloc v eloc + pérdida de carga (hd+d)/He 4.33 hd 4.02 m 2.68 hd/He con (hd+d)/He y hd/He se busca el funcionamiento que puede reducir el coeficiente de descarga Figura 9-26 Según Figura 9-27 si es torrente y 9-28 si es resalto semi sumergido En este caso vemos que se formará un resalto y no habrá influencia de aguas abajo con en Coef. de gasto E- Determinación de la longitud lo ngitud efectiva mínima necesaria mayorada por efectos de pilas y estribos Longitud ef ectiv a mínima necesaria despejada de Q=LxCxH^(3/2) 13.59 m Longitud corregida por pilas y Estribos N máx de Vanos 2.26 Nº de Pilas 2 L Total de v anos L´=L+(2x(NxKp+Ka)xHe) 14.25 m Si no entra no puede ser Azud Fijo Coef. de con contra tracció cción n de Pila Pilas s Kp vale vale 0,1 para pila ilas red redondeadas Ka Coef. Coef. d de e contra contracció cción n de de Estrib Estribos os Ka vale 0,20 0,20 para para estrib estribos os perpe perpend ndicu iculare lares s al flujo
F- Curva de Gasto
Se construye una tabla como la que sigue donde se se corrige primero el coeficiente gasto por la relación entre la carga existent y la de cálculo cálcul o (He/Ho). Se ingresa ingresa en la Figura Fi gura 9-24 para corregirlo. corregirlo. Luego se analiza la influencia i nfluencia desde aguas abajo según las figuras 9-26 9-27 y 9-28, en este caso no hay inci dencia. Luego se determina determina el caudal unitario con la ecuación de gasto para obtener la velocidad veloci dad y la altura de velocidad v elocidad que nos dirá cuál es la altura en el embalse o mejor aún la Cota de agua Por último se obtiene el caudal total multiplicando por la longitud efectiva, no por la total He/Ho 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Fig 9-24 Fig 9-27 He C/Co hd+d (hd+d)/He Cs/C Cs CsxHe^(3/2) 0,15 0,82 5,15 34,33 1 1,77 0,10 0,30 0,85 5,30 17,67 1 1,84 0,30 0,60 0,9 5,60 9,33 1 1,95 0,90 0,90 0,94 5,90 6,56 1 2,03 1,74 1,20 0,97 6,20 5,17 1 2,10 2,76 1,50 1 6,50 4,33 1 2,16 3,97 1,80 1,03 6,80 3,78 1 2,23 5,38
He+P v 5,15 5,30 5,60 5,90 6,20 6,50 6,80
aprox 0,02 0,06 0,16 0,29 0,44 0,61 0,79
hv Cota Agua 2,04E-05 725,15 0,000166 725,30 0,001332 725,60 0,004419 725,90 0,010101 726,21 0,019077 726,52 0,031955 726,83
727,00 726,80 726,60 726,40 a u g A a t o C
726,20 726,00 725,80 725,60 725,40 725,20 725,00 0,00
2 0,0 0
40 ,00 Q (m3/s)
60,0 0
8 0,00
Caudal 1,40 4,11 12,29 23,59 37,48 54,00 73,11
3- Forma del Perfil de la Caída
Deberíamos Deberíamos Adoptar el del Bureau of Reclamation, por simplicidad simplici dad práctica haremos ahora un perfil Creg Perfil Creager
Para h x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,7 2 2,5
1 Pa Para h 1,5 y x y -0,1 0 -0,19 -0 0,15 -0,05 -0 0,3 -0,01 0 0,45 0 -0 0,6 -0,01 -0,1 0,9 -0,09 -0,1 1,2 -0,21 -0,3 1,5 -0,39 -0,4 1,8 -0,6 -0,6 2,1 -0,85 -0,9 2,55 -1,31 -1,2 3 -1,83 -2 3,75 -2,94
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
-0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5
4- Cálculo del Cuenco Amortiguador de Energía
Caudal Q Ancho Rect B Salto H hc Bc H2
54 m3/s 14,25 m 5,00 m 1,14 m 1,70 m 2,48 m
Adoptamos una profundización de 0,90 y 20m de longitud uniendo el Creager y el tramo recto con un Radio de Gola de 2 m Ver gráfico de Rgola en fc de la Carga y la Altura de la Presa sobre la Roca.
DISE DISE O DE PROF PROFUN UNDI DIZA ZACI CI N PARA PARA RESA RESALTO LTO AHO AHOGA GADO DO Propuesto d1 P 0,000 0,000 0,331 0,760 0,320 0,819 0,319 0,828
V1 11,467 11,828 11,885 11,894
Calculado d1 d2 0,331 2,818 0,320 2,869 0,319 2,877 0,319 2,878 Fr
Longitud del Resalto
19,32 m
P 0,760 0,819 0,828 0,900
∆d1
∆P
0,331 -0,010 -0,002 0,000
0,760 0,059 0,009 0,072
6,69 Ve Verifica W oycicky
LO QUE SE HA OBTENIDO HASTA AHORA ES LO SIGUIENTE
5- Cálculo de las pantallas horizontales y verticales por el Método de la Rotura Compensada
Este método nos da la longitud de pantallas necesarias para que nohaya tubificación Se debe verificar verif icar para distintos caudales, caudales, cuál es el que presenta presenta el gradiente más m ás desfav desfavorable. orable. Pto más Desfavorable H2 Ho Altura del Azud C (para grav a media) ∆H L nec = C.∆H
0,25 m 0,15 m 5 3,5 4,9 17,15
Q 1,41 4,12 12,35 23,70 37,65 54,24 73,44
Ho 0,15 0,3 0 ,6 0,9 1,2 1 ,5 1,8
H2 0,25 0 ,4 8 0,96 1,45 1 ,9 5 2,5 3 ,0 5
Cotas A Arr A Ab 72 7 25,15 720,3 725,3 720,5 725,6 721 725,9 721,5 726,2 722 726,5 72 722,5 726,8 723,1
Como el espesor espesor de fondo que resulte inside en la longitud del recorrido de la linea li nea de flujo, deben adoptarse adoptarse los valores y luego ir verificando v erificando
∆H
4,9 4,82 4,64 4,45 4,25 4 3,75
Adopto e fdo=
1,5 m
Zampeado Aguas Arriba Pantalla A Arr Pantalla abajo espesor de las pantallas L subida pantalla A Arr L bajada pantalla abajo Proy Horizontal del Creager+Escarpe Longitud del Zampeado L compensada
0 Adoptado 6 Adoptado 3 Adoptado 1 Ad Adoptado 3,600 L pantalla - espesor - p cuenco 0,600 L pantalla - espesor - p cuenco 6,31 26,71 22,77 22,77 verif verifica ica
6- Verificación del espesor por Subpresiones Despreciando la Colaboración del Agua Superior Punto A A´ B C D E F G H I Presión media Presión media
hi H1
Long 5.15 5.15 4.45 4.33 3.91 3.17 0.79 0.72 0.60 0.25
p inicia p final H2 hi hi zam
0 0 6 7 10.600 16.910 37.310 37.910 38.910 41.910
Las alturas de columna hi son tomando como plano de referencia el fondo del Río Para obtener las presiones en el zampeado debe hacerse hi zam = hi + p cuenco + e
1.98 m.c.a / m Con el Cero al Nivel del fondo Río 4.31 En el nivel del Hormigón del Zampeado 0.43 kg/cm2 e
Se desprecia el aporte del agua sobre el cuenco Peso H kg/cm2 Coef Seg 1.5 0.36 0.84
No verifica Verifica Peso H > Presión Agua
Soluciones: Aumentar espesor Incrementar pantalla aguas arriba (la de aguas abajo produce el efecto contrario) Agregar o aumentar Blanket o Zampeado Aguas arriba Agregar Drenes Cuenco no enterrado, implica discipación necesaria aguas abajo ó fosa controlada. Combinaciones de las Mismas ITERAR EN CLASE SI HAY TIEMPO…. O EN LA CASA - VER AZUD MÓVIL
