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DISEÑO DEL BARRAJE PARA CAPTACION
1. INTRODUCCIÓN En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de comunicación (carreteras, vías férreas u otro canal). La solución mediante estructuras hidráulicas es: Acueductos, Sifón, Diques. En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño del canal, para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se optara por un sifón invertido o un conducto cubierto. Igualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las diferentes alternativas enunciadas y decidir por la estructura más conveniente. Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podría no ser factible un acueducto, pero si un sifón invertido. En algunos será necesario analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sifón. Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas de montaña son los diseños de barraje los cuales si tiene la eficiencia deseada podrán ser capaces de abastecer las necesidades de demanda de agua de una población necesitada. En el presente trabajo se detalla el diseño de un barraje para el canal Santa Rita.
DISEÑO DE BARRAJE
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2. OBJETIVOS: OBJETIVO PRINCIPAL
Diseñar el barraje y verificar el diseño actual, analizando la eficiencia de los parámetros usados.
OBJETIVO SECUNDARIOS
Corroborar las dimensiones de los parámetros, dando un criterio de diseño para cada caso planteado en el diseño hidráulico.
Aprender el uso de estos parámetros para el diseño de las estructuras hidráulicas.
Experimentar la eficiencia de las estructuras en campo poniendo en práctica lo aprendido en aula.
3. ALCANCE El presente trabajo tiene como alcance servir de consulta para la determinación de los parámetros de diseño de un barraje ya que son fundamentales en el estudio de factibilidad en un proyecto de abastecimiento de regadío, etc. 4. JUSTIFICACIÓN En el campo de la ingeniería es indispensable la construcción de obras que generes la toma de agua para usarlo con fines agrícolas por ejemplo, así como para un abastecimiento para después entrar en un proceso de potabilización para una determinada ciudad.
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2. OBJETIVOS: OBJETIVO PRINCIPAL
Diseñar el barraje y verificar el diseño actual, analizando la eficiencia de los parámetros usados.
OBJETIVO SECUNDARIOS
Corroborar las dimensiones de los parámetros, dando un criterio de diseño para cada caso planteado en el diseño hidráulico.
Aprender el uso de estos parámetros para el diseño de las estructuras hidráulicas.
Experimentar la eficiencia de las estructuras en campo poniendo en práctica lo aprendido en aula.
3. ALCANCE El presente trabajo tiene como alcance servir de consulta para la determinación de los parámetros de diseño de un barraje ya que son fundamentales en el estudio de factibilidad en un proyecto de abastecimiento de regadío, etc. 4. JUSTIFICACIÓN En el campo de la ingeniería es indispensable la construcción de obras que generes la toma de agua para usarlo con fines agrícolas por ejemplo, así como para un abastecimiento para después entrar en un proceso de potabilización para una determinada ciudad.
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5. UBICACIÓN El inicio del canal se encuentra aproximadamente a 1 km de los baños del inca de esta la cual pertenece a la provincia de Cajamarca, departamento de Cajamarca, Perú.
UBICACIÓN DEL BARRAJE
BARRAJE
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6. REVISION DE LA LITERATURA DISEÑO DE BARRAJE PARA CAPTACION 1. RELACION ENTRE EL BARRAJE VERTEDERO FIJO Y EL MOVIL. Si un barraje fijo es construida a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema durante la época de avenida, la longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpia. En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenidas aumentando el nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar problemas de inundación.
El criterio para determinar la longitud del barraje fijo y la longitud del barraje móvil, es que sus longitudes deben permitir, para caudales Q m (Caudal por zona móvil) y Q f (caudal por zona fija) que sumados resultan el caudal de diseño es decir: Qm + Qf = Qd 2. EFECTO DEL REMANSO CAUSADO EN EL RIO POR LA CONSTRUCCIÓN DEL BARRAJE DEL VERTEDERO. Al construir el barraje en el cerco del rio, causa la formación de una sola elevación del nivel del agua delante del vertedero que genera problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, etc, por lo que es necesario determinar la curva de remanso formada. Para determinar la longitud del remanso recomienda los siguientes métodos: Método del paso directo. Método aproximado. El método aproximado es el más eficaz, tiene bastante precisión al momento de calcular la longitud total (L) del remanso y permite tener una idea del efecto del remanso hacia aguas arriba. Se calcula mediante la siguiente formula:
= Donde: h: sobre elevación del tirante normal I o: pendiente del fondo del rio.
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3. ALTURA DEL BARRAJE DEL VERTEDERO. La altura del barraje está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en el rio de modo tal que se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal de derivación. También debe permitir el peso de agua excedente por encima de su cresta. CC = Co + ho + h + 0.20 Donde: Co: Cota del lecho delante del barraje. ho: altura necesaria para evitar el ingreso del material de arrastre (Se recomienda h o > 60 cm) h: altura de la ventana de captación.
4. FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE. Se utilizo la formula de W. P. CREAGER.
. = 2.
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CRESTA DEL CRESTA DEL BARRAJE
5. SOLADO O COLCHON DISCIPADOR Debido a la colocación del barraje en el cauce del rio se genera un incremento de energía potencial que al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construye estructuras de disipación conocidos como: solados, colchón disipador, que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra la energía cinética generado por el barraje vertedero. A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del colchón disipador y de los tirantes conjugados ( d1 y d2) necesarios para la formación apropiada del salto hidráulico.
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a) CALCULO DEL TIRANTE “Y1” De acuerdo a la metodología descrita por Mansen (2), se tiene:
E = C + P + Hd + (1) 0
Donde:
0
d 1: Tirante del rio al pie del talud
q1: Caudal unitario V1: Velocidad al pie del talud Por Bernoulli tenemos: E1 = C1 + Y1 +
Eo =- E1+ Hfo-1
(2) (3)
Reemplazando y despejando V, en la ecuación 3:
- H
V1 = (2g (Co – C1 + P + H d – Y1 +
f0-1)
) . (4)
Donde: Co: Cota del terreno en "0" (m.s.n.m.) C1: Cota del colchón disipador, (m.s.n.m.) P: Altura del barraje, (m) Hd: Altura de la lámina vertiente, (m) Y1: Tirante del río al pie del azud, (m) HFO-1 : Pérdida por fricción entre "0" y "1". (m): Velocidad en la cresta del barraje, (m/s) : Velocidad ai pie del talud, (m/s) r: Profundidad del colchón disipador, (m) g: Aceleración de la gravedad, (m/seg2) Para resolver la ecuación anterior es necesario asumir ciertos valores, tales como : r = Co – C1 (5) Hf 0-1 = 0.1 Y1 ≥ 0.1 DISEÑO DE BARRAJE
(6) (7) 7
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Reemplazando en la Ecuación N° 4 tenemos
/ ( ) = [2+ + − +0.9 2 ] Este valor calculado por la ecuación (8) necesita una comprobación, ya que :
Donde: Qmáx: Descarga de avenidas. (m 3/s). q1: Descarga unitaria. (m 2/s). b: Ancho de !a poza disipadora, (m). Si Y 1 obtenido en la fórmula (9) es muy cercano al Y 1 supuesto en la expresión (7) se prosigue al siguiente paso, o sea el cálculo de Y 2, en caso contrario se volverá a tantear con otro Y 1. b) CALCULO DEL TIRANTE “Y2” En la conservación de la fuerza específica entre la sección "1" y "2" de la Figura N° 14 se tiene la fórmula presentada por Mansen (2): La Fórmula de la energía liberada en el salto es:
()() / ( ) = − + [ + ]
Cuando Y2 < Yn la longitud para el salto se reduce, llegándose a producir ahogamiento del mismo. Cuando Y2 > Yn (la más frecuente) origina los mayores problemas a la estructura, por lo cual se busca la forma de contrarrestaría bajando el nivel del solado, hasta un punto tal que la cota energética después de! salto sea igual a la que presenta inmediatamente aguas abajo.
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Para la condición óptima de entrega del nivel de agua del tirante conjugando mayor (Y2) y tirante normal del cauce (Yn) debe cumplirse lo siguiente: Y2 = Y0 + r La condición anterior pocas veces se presenta, por lo que González y Mansen(6,2) recomiendan hacer la corrección por la fórmula siguiente : Yn + r= 1.15 (Y2) c) CALCULO DE LA LONGITUD DEL COLCHON DISIPADOR
Conocidos los tirantes conjugados (Y 1 y Y 2) es posible calcular la longitud necesaria para que se produzca el salto hidráulico. Existen varias fórmulas empíricas y experimentales que se dan a continuación y que por lo que dan valores un poco conservadores pero que orientan para la toma de decisiones en el diseño final.
=4 U.S. BUREAU RECLAMATION =5( −) SHOKLITSCH =6 ∗ SIENCHIN =4.5 LAFRANETZ DISEÑO DE BARRAJE
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6. ESPESOR DEL SOLADO O COLCHÓN DISIPADOR Para resistir el efecto de la subpresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje que ocasiona la subpresión.
Fig. Efecto de la subpresión
La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del solado debe ser mayor que la subpresión, es decir: Ws > Sp s.A.e> .h.A De donde: e= .h/ s e = . h / ( s-
Ec. (3)
Corrección por saturación del suelo. h = h – hf hf = h. (Sp / St) Donde: Sp; camino de percolación parcial. St; camino de percolación total
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Recomendaciones: El espesor dado por Ec. (13), debe ser corregido por seguridad, se tiene así: e = (4/3). . h / ( sSe recomienda que e ≥ 0.90 m 7. ENROCADO DE PROTECCIÓN O ESCOLLERA Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado, con la finalidad de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.
Fig. Escollera al final del colchón disipador
CORTE 1-1
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La longitud de escollera recomendada por Bligh es: Ls = Lt - Lc Lt = 0.67 C (Db . q) 1/2 Lc = 0.60 C D11/2 Donde: C: coeficiente de Bligh (ver tabla) Db: altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo del colchón Disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m. q: avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero. Lc: longitud del colchón. D1: altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m. CUADRO Material del lecho del cauce Arena fina y limo Arena fina Arena gruesa Grava y arena
Tamaño de grano (mm)
Coeficiente de Bligh
0.005 a 0.01
18
0.1 a 0.25
15
0.5 a 1
12 9
Bolones y arena
4 – 6
Arcilla
6 – 7
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8. CONTROL DE FILTRACIÓN El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de tubificación; este problema se agrava cuando el terreno es permeable. El Ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en la India, recomendando que el camino que recorre el agua por debajo del barraje vertedero (camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre los extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es decir: S ≥ C. h
Donde: S: camino de percolación C: coeficiente de Bligh h: diferencia de nivel entre el nivel de aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero (Ver figura).
Este criterio fue corregido por Lane después de observar casi 200 estructuras entre las que funcionaban bien y las que fallaron. Lane planteo la siguiente expresión: S = 1/3 ∑ L
H+
∑ LV > CL h
Donde: LH: suma de longitudes horizontales. LV: suma de longitudes verticales. DISEÑO DE BARRAJE
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CL: coeficiente de Lane (ver tabla). Se consideran como distancias verticales y horizontales las que tienen una inclinación mayor de 45° y menor de 45° respectivamente. CUADRO Material del lecho del cauce
Coeficiente de Lane
Arena muy fina o limo
8.5
Arena fina
7
Arena tamaño medio
6
Arena gruesa
5
Grava fina
4
Grava media
3.5
Grava gruesa
3.0
Bloques con grava
2.5
Arcilla plástica
3.0
Arcilla de consistencia media
2.0
Arcilla dura
1.8
Arcilla muy dura
1.6
Es por este criterio que se busca alargar el camino de percolación de un dentellón aguas arriba y aguas abajo, manteniendo siempre una separación entre ellos, que debe ser mayor que el doble de la profundidad del dentellón más profundo. Asimismo; se acostumbra a poner un zampeado aguas arriba del vertedero, sobre todo cuando el suelo es permeable, con el fin de alargar el camino de percolación así como dar mayor resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de erosión, en especial en épocas de avenidas. La longitud recomendada por la experiencia es tres veces la carga sobre la cresta.
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Perfil del Barraje Vertedero de una Bocatoma
9. CANAL DE LIMPIA Velocidad requerida para el Canal de Limpia El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de la ventana de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando un ángulo entre 60 y 90° con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones. En lo referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula: Vo = 1.5 c. d1/2 = 1.5 V Donde: Vo: es la velocidad requerida para iniciar el arrastre. C: coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 para arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava. d: diámetro del grano mayor. V: velocidad de arrastre.
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Gráfica de la Ecuación:
Relación entre Velocidad Requerida para el Arrastre y el Tamaño de Grano
Ancho del canal de limpia El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación: B = Qc / q q = Vc 3 / g Donde: B: ancho del canal de limpia, en metros 3
Qc: caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en
m /s. q: caudal por unidad de ancho, en m 3/s/m. Vc: Velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s. g: aceleración de la gravedad, en m/s 2 .
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Este ancho sirve de referencia para el cálculo inicial pero siempre es recomendable que se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre, sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.). Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho mínimo sea de 5 metros o múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación recomendable para normar el ancho del canal de limpia.
Canal de Limpia A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de limpia: a. Caudal en la zona de Limpia Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del río. b. Velocidad en la zona de Limpia Se recomienda entre 1.5 a 3.00 m/s. c. Ancho de la zona de Limpia Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje. Pendiente del Canal de Limpia Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de limpia. La fórmula recomendada para calcular la pendiente critica es: Ic = n2 .g10/9 / q2/9 DISEÑO DE BARRAJE
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Donde: Ic: pendiente critica. g: aceleración de la gravedad, en m/s 2. n: coeficiente de rugosidad de Manning. q: descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m 2/s. Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de la ventana de captación debe estar por debajo del umbral de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas debajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador. 10. TOMA O CAPTACIÓN Criterios Generales Ya se ha definido la función del barraje vertedero y del canal de limpia; a continuación se tratará de la estructura de captación o toma, la cual está ubicada por lo general aguas arriba del barraje vertedero, siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea mínimo (lo ideal es el lado exterior de la parte cóncava de una curva). En lo que respecta a su cimentación es recomendable que el lugar elegido reúna condiciones favorables de geología (es preferible buscar roca para asentar la estructura), de topografía (que disponga de una cota suficientemente a fin de disminuir las obras complicadas), y de facilidad constructiva (objetivo básico para reducir los costos de construcción).
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7. PROCEDIMIENTO Y CÁLCULOS
1. Mediciones para el diseño del BARRAJE. Se tomaron las medidas necesarias en los diferentes tramos con el fin de obtener el área, el perímetro y otros datos necesarios para hacer el plano en planta y perfil de la captación en si hasta unos 50 m más allá del punto de inicio CALCULO DE LA PENDIENTE DEL CANAL (s) En un tramo de 5.07 metros de longitud, con un método de aproximación medimos las distancias que tienen en el tramo de inicio y tramo final de la longitud del canal. COTA INICIAL: 32 cm COTA FINAL : 33cm DISTANCIA : 5.07 m
∗100 = − = 0.33−0.32 5. 0 7 =0.002 CALCULÓ LA VELOCIDAD DEL FLUIDO EN EL CANAL DE SECCIÓN RECTANGULAR Para este caso procedemos a calcular el tiempo que demora en el recorrido para obtener datos un poco más aproximados. Distancia 25 m Tiempo 1 Tiempo 2 Tiempo 3 Tiempo 4 Tiempo 5 Tiempo 6
43.34 43.39 44.38 43.72 43.06 43.43
seg seg seg seg seg seg
Tiempo promedio 43,5533333 seg
= DISEÑO DE BARRAJE
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= 43.25 55 =0,5740/ ÁREA DEL CANAL SECCIÓN RECTANGULAR
= ∗ℎ = 88 ∗120 = 10560 = 1.056
a
b
CALCULO DEL CAUDAL DEL CANAL
=∗ 740 ∗1.056 = 0.5 = 0.506144 / CALCULO POR MEDIO DE LA FORMULA DE MANNING:
= ∗ ∗/ Hallando el perímetro mojado: R = P/A R = 2.96 m / 1.056 m2 = 2.8030 Reemplazando en la fórmula:
=0.5325 m3 /seg
= . ∗. ∗./
Este caudal hallado será el caudal de diseño que tomaremos para hallar los parámetros del rio por lo que tendremos algo así:
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Por lo tanto el caudal de diseño para la captación será de Q = 0.50 m3/seg Considerando también una pérdida del 5 % del caudal tendremos Q = 0.025 m3/seg El caudal de diseño será Q =0.525 m3/seg. USANDO LAS ECUACIONES DE EQUILIBRIO PARA DEMOSTRAR SI CUMPLE EL CRITERIO DE BOCATOMA MIXTA: Calculo del caudal del rio por medio de la longitud de encausamiento: (Fs: 0.1, Fb: 0.8)
B: 12.00m Q dis = 5.49 m3/seg NOTA: Encontramos 2 tipos de caudal, el primero es una aproximación por formula y el segundo es dado a partir de un análisis estadístico. Para lo cual trabajaremos con el segundo. Tendremos en cuenta los datos obtenidos del rio: De acuerdo a los datos estadísticos obtenidos en el 2007 sabemos que: DISEÑO DE BARRAJE
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El caudal promedio anual es de 5.22 m3/s. El máximo anual de 8.092 m3/s El caudal mínimo de 1.102 m3/s, que será el caudal mínimo aguas abajo, en este caso consideremos 2 m3/s.
según se puede ver en el Cuadro
Q río =
5.22
m³/seg
Q ra =
2.00
m³/seg
Q diseño = Q pa =
0.525
m³/seg
1.74
m³/seg
Qpa = (1/3)*Qrío Qdis = Qpa = Qra =
4.27
caudal de diseño
caudal de preservación ambiental caudal de requerimiento aguas abajo m³/seg <
5.22
Por lo que se optará por una barraje de derivación debido a que el tirante normal es menor que al tirante mínimo de derivación (0.4m). Por lo que: La estructura de captación se tratará de un barraje mixto. Que luego se analizará si se trata de una toma directa o de una toma mixta.
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2. DISEÑO DE CAPTACIÓN: Como el tirante mín. en zona de captación resultó: 0.35 cm aguas arriba y supusimos que era el mismo en la parte lateral del rio. Se tiene en en cuenta que el tirante mínimo para una toma directa es mayor de 0,40 m y nuestro tirante mínimo es de 0.35 m. Por lo que optamos por una toma con barraje mixto.
DATOS: L = 1.0 m Qd = 0.525 m3/seg C = 1.84 Reemplazando en la formula tenemos:
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ℎ = 0.5
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DATOS
VALOR
UNIDAD
RIO Qestiaje = Qmedio = Qmax = S río = n (río) = Z= L (ancho río)=
1.102 5.22 8.092 0.006 0.0250 0 12
m3/seg m3/seg m3/seg
CANAL
VALOR
UNIDAD
Caudal captado Qcanal = S canal = n (canal) = Z= b=
0.45 0.002 0.014 0 1.2
m3/seg
VENTANA DE CAPTACIÓN Yo = 0.5 Ho= 0.5 Z1= 0.1 K1=
0.85
Cota o = Y1 = hn =
0 0.5 0.4
m
m m m
m
Valor provisional (Luego se coloca el valor redondeado de B28) Coeficiente de pérdida debido a contracción lateral por barrotes
m m m
Igual a Yo (Detrás de la ventana)
VERTEDERO Zv= Cota normal v = Hv = Cota umbral v = Cota v = Yv =
0.1 0.9 0.5 0.4 0 0.4
m m
Vertedero desrripiador.
TRANSICIÓN Zt =
0.07
m
Calculado en la tabla N° 01
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m
Valor provisional Vertedero (perfil agua) Vertedero
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Cálculo de la ventana de captación . Fórmula general para el cálculo del caudal que pasa sobre un vertedero 3
Q
M b H
2
. Si el vertedero está sumergido, y si además tiene contracciones laterales Producidas por los barrotes. 3
Q
K S M b H 2
Donde: M = C = Coeficiente de vertedero, generalmente es: M=C= 2.1 ó 2.2 S= Coeficiente de corrección por sumersión K= Coeficiente por existencia de contracciones y barrotes
S = M =
Despejando vertedero
b
la
fórmula
de
Q
0.712 2.038
Ancho efectivo de la ventana de captación 3
K S M H 0 2
1.03
b= m Si se asume la separación entre barrotes: DISEÑO DE BARRAJE
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Sep = Ancho barrote n = b / Sep
0.15 0.0125
UNC
m m Número de espacios
6.88
n=
6.00
N° barrotes B = b + N° barrotes x Ancho barrotes B= 1.11
Redondeado 7.00 Barrotes Ancho total de la ventana de aptación 1.10 Redondeado m
m
Chequeo pérdida de carga en vertedero Z1 Q = CA(2gDH)^0.5 DH = (Q/CA)^2 / (2g) C= A = b x H1 DH = Z 1 =
0.700 0.52 0.079
Coeficiente de descarga para orificio ventana captación m2 Muy bien Se aproxima bastante a 0.1
3. Dimensionamiento del ángulo de la captación:
donde: por lo que :
consideramos : Vr = 0.9 Ve = velocidad de ingreso se recomienda (Ve = 1m/s)
A rio = (Yo+Ho+0.2+H)xL Vr = Qmed/A Velocidad del río Vr = 0.113 Vc = Velocidad en la ventana de captación A ventana = b x Ho 1.03 Vc= Q canal / A ventana Vc = 0.87 Alfa = Arc Cos (Vrio / Vc) Vrio / Vc = 0.13 DISEÑO DE BARRAJE
46.00
m2
m/seg x 0.50 m/seg
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Alfa = 82.53 Grados Angulo de pared de ventana con alineamiento del rio es: 7.47 Grados 7 aproximado
4. Altura de la ventana de captación: Mediante la fórmula de orificio ahogado:
Donde: Q: C: h: N: Ln:
0.52500 Caudal de derivación (Qd) Para el perfil Creager este valor será C = Altura de la ventana de captacion en mt. número de ventas N= 1 Ancho de la ventana de captación Ln =
m3/seg 1.84
h=
0.43
0.50m
Recalculamos:
Qcorreg. =
0.65
Qcorreg.- Qd =
0.021
m3/s , (caudal para el canal desripeador o desarenador)
mt. Consideramos : h =
1.00
m3/seg (caudal que entra por la ventana)
5. DISEÑO DE LAS REJILLAS: Para esto calcularemos la perdida de carga en las rejillas y elegiremos la mínima:
Donde: he: Ø : V :
Ω: α :
e :
Perdida de carga en pulgadas en la ventana de captación. Espesor de la platina (rejilla) en pulgadas Velocidad de ingreso a traves de la rejilla en (pies/seg). Se recomienda 1 m /seg = 3.281 pies/seg Angulo de rejilla con la horizontal. Angulo de aproximación. Separación entre ejes de cada platina.Se recomienda e = 2 plg
DISEÑO DE BARRAJE
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he
UNC
1 4 * 3.281 15 8 o 1.32. .sen75 .sec 26 2
he = 0.66 pulg =.
0.017
90
o
METROS
6. Altura total de la ventana de captación (ht): ht = 0.017 + 0.484 = 0.51 m ht = 0.50 m (aproximando a medida real y entera) 7. Ancho de la ventana de captación: Número de rejillas (Nr)
Ln = Ancho de la ventana asumida inicialmente donde: (1.10m) e = espaciamiento entre rejillas (mt) = 1/2" = 0.0125m Nr corregido será: 6 Como el ángulo de dirección frontal es diferente de cero, utilizamos: b
L . Nr cos
Donde: b = ancho corregido de ventana (mts) L = ancho asumida inicialmente Ø = diámetro de rejillas (mts), Ø = ¼”
=
0.00635m Reemplazando y corrigiendo obtendremos b = 1.12 = 1.10m aprox
DISEÑO DE BARRAJE
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Cálculo de la carga hidráulica en estiaje:
donde :
C = 2.21 B =12 m Q = Qmin – Qdiseño
hv = 0.12 m
Cálculo de la carga hidráulica en avenidas (hv):
Donde:
altura de barraje
C = 2.21 B = 12 m Q = Qmáx – Q diseño = 0.45 m (0.5) aprox 0.5+0.5+0.2 1.20
hv
m
8. DISEÑO DE LA COMPUERTA LIMPIA: Caudal de diseño para el área de compuerta Lo ideal es que todo el caudal que pasa por encima del barraje se desfogue por la compuerta móvil. Q pasa por compuerta
=
Qmáx - Qdis.
= 2.872 m3/seg
Hc = 0.85 C = 0.6 g = 9.81 m/s2
Área = 1.11 DISEÑO DE BARRAJE
29
HIDROENERGÍA
UNC
Optamos una compuerta de:
Tipo A3 - P h ( compuerta ) = L (compuerta ) = A (área compuerta ) =
1.20 0.85 1.02 m2
Número de compuertas =
1.0883
ancho del rio = ancho total de las compuertas = ancho restante =
12 0.92508 11.07
Q (pasa por el azud) =
2.50 m3/seg
10. TRAZO DEL PERFIL HIDRODINAMICO: DISEÑO DE LAS COORDENADAS DEL PERFIL: Altura del azud
=
1.00 m
Para una altura unitaria del azud tenemos la siguiente Coordenadas:
x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
y 0.000 0.007 0.025 0.053 0.090 0.135 0.190 0.252
PERFIL TIPO CREAGER DISTANCIA EN "X"
0
1
2
3
0.000 0.500 1.000
DISEÑO DE BARRAJE A R U T L
1.500
30
HIDROENERGÍA
0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.5 1.7 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8
UNC
0.323 0.401 0.488 0.683 0.909 1.032 1.301 1.446 1.758 2.097 2.463 2.856 3.276 X = 1.50
Y = 1.00
11. DISEÑO DEL RESALTO O COLCHON DISIPADOR: Las formulas a usar son las siguientes: dn = tirante normal del rio = 0.23m r = entre 0.5 y1.0 m
Donde: Qu : h1 : h2 :
Suponiendo un DISEÑO DE BARRAJE
Caudal de agua sobre el azud por metro lineal. Profundidad o espesor de la lámina al pie del azud. Profundidad aguas abajo.
∆h =
1.20
m 31
HIDROENERGÍA
Qu = Calculamos V1 = Luego hallamos el caudal= Tendremos como alt.final =
0.23 4.85 0.23 1.20
h1=
0.05
h2=
0.47
Finalmente
calculamos
m3/s/m m/seg m3/s/m m
la
L = 2.12 UTILIZAREMOS L=3.00m
UNC
longitud
con:
m
11. ESPEZOR DEL COLCHON DISIPADOR: Por formula sabemos que: e
=
h = hf =
( 4 / 3 ) . ( h / ( SGs-1 ))
∆h - hf ∆h ( Sp / St )
Donde : e : SGs : Sp : St : h : hf :
DISEÑO DE BARRAJE
Espesor del colchon , míninmo de: 0.9 m Gravedad especifica del suelo 1.8 Camino de percolación parcial Camino de percolación total Diferencia de presión hidrostatica , en la junta de construcción. Valor de subpresión en la junta de construcción
32
HIDROENERGÍA
X+L=
UNC
4.00m
X + L =
3.62
Tendremos: Sp = St = hf = h =
4.50 5.76 0.94 0.26
Finalmente tendremos como espesor del colchon disipador (e) : e = 0.44 UTILIZAREMOS e=0.50
m
11. ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA: Se tiene la siguiente formula: 12 D b 1 L s 1.25.C . D . 1.12. q. D1 12
Donde : C: Db : D1 :
Coeficiente de BLIGH C = 4.6 Para arenas y gravas Altura comprendida entre la cota de extremo aguas abajo del colchon disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero. Altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchon disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero en m
DISEÑO DE BARRAJE
33
HIDROENERGÍA
Qu :
UNC
Caudal unitario D1 Db
= =
0.78
0.17
Finalmente se tendrá la longitud de escollera de : Ls = 2.1423 m Ls = 1.50 m
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Diseñe el barraje y verifique el diseño actual, analizando la eficiencia de los parámetros usados.
Diseñe y corroboré las dimensiones del barraje, pues este es de mucha utilidad cuando se tiene que abastecer, se tiene que ser meticuloso en el cálculo porque un ligero desajuste de este es fatal para el diseño eficiente, desfavoreciendo la utilidad eficiente de este.
Aprendí el uso de estos parámetros para el diseña o de las estructuras hidráulicas, como barrajes, canales, bocatomas, aliviaderos, etc. Pues estos son muy útiles para fines de agricultura u otros usos en bien de una comunidad.
Experimente la eficiencia de las estructuras así como su funcionamiento en campo poniendo en práctica lo aprendido en aula.
DISEÑO DE BARRAJE
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