INTRODUCCIÓN
En el presente informe se escribirá sobre la visita realizada el día domingo 04/11/18 al rio chillón con un aproximado de 3 horas de viaje , contando con punto de inicio la UNMSM saliendo a horas: 9.00 a.m, continuando con una ruta hacia el norte , pasando Carabayllo, Huanchipuquio, Cocayalta , ubicado en el distrito centro poblado Santa Rosa de Quives, provincia de Canta y región de Lima. Así llegando al punto final, en donde se encuentra la bocatoma Macas Lulo. Siendo un viaje realizado por todo los alumnos del curso de hidráulica bajo cargo del encargado del curso el Ing Jose Juarez Cespedez. En el presente trabajo aparecerán datos referentes a este viaje y a temas relacionados tomados desde un punto de vista hidráulico.
OBJETIVO
Viaje realizado con la finalidad de poder observar y conocer distintos temas de estudio tocados en el curso de Hidráulica, como la bocatoma Macas Lulo, diversos tipos de compuertas, tipos de canales y poner en práctica algunos conocimientos teóricos .
MARCO TEÓRICO
Bocatoma:
Las obras de bocatomas o tomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un rio o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir. Asi por ejemplo El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Perú hay en operación un gran número de obras de toma para aprovechamiento hidráulico. El diseño de estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como com o a la investigación en modelos hidráulico. La observación y análisis del comportamiento de la s obras de toma en funcionamiento es muy importante. Los problemas que se presentan en una bocatoma son mucho más difíciles difíc iles cuando se capta agua desde un rio que cuando se hace desde un cauce artificial (canal). Es el primer caso al que nos referimos principalmente de acá en adelante. Se define asi a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un rio, para irrigar irri gar una área bajo riego o generar energía mediante su utilización en una central hidroeléctrica.
Finalidad
La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras de toma. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de toma se clasifican en función de las características del proyecto al que sirven, Es así como se tiene: . Obras de toma para abastecimiento . Obras de toma para irrigaciones .Obras de toma para centrales hidroeléctricas .Obras de toma para industria y minería . Obra de toma para otros propósitos .Obras de toma para uso múltiple La clasificación anterior se refiere al uso predominante del agua. Si bien es cierto que hay bocatomas que tienen una finalidad específica, también lo es que casi siempre las bocatomas tienen, aunque sea en pequeña proporción, algún otro uso
Elementos fundamentales a ser tomados en cuenta previo al diseño de bocatomas Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos.
Ubicación
Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del rio, para que la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones. La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada La captación del agua ha de ser derivada debe ser posible aun en tiempo de drenaje La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitada en el máximo posible
Topografía
Condiciones geológicas y geotécnicas
Es importante conocer las condiciones geomorfológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de las siguientes datos como resultado de los estudios geológicos_ geotécnicos. a.- Curva de graduación del material conformante del lecho del rio b.- Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma c.- Coeficiente de permeabilidad d.- Capacidad portante e.- Resultados sobre ensayos de hincado de piloteo o tabla, estacas f.- Cantidad de sedimento que transporta el rio. Información
hidrológica
Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del rio, ya que esta permitirá garantizar el caudal a derivar y asi como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocat oma. Entre los datos a obtener son: a.) Caudal del diseño para una avenida máxima b.) Caudales medios y mínimos c.) Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje
Condiciones
ecológicas
Siempre toda construcción en un rio causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe de trata de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensan este desequilibrio causado por la bocatoma; aunque debemos reconocer que , en nuestro país estas estructuras son de costo elevado y que siempre se tratan de obviar por limitaciones presupuestales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones
Otros
En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en cuenta para la construcción de la bocatoma; estas son de orden legal, ya que, mediante la bocatoma por efecto del remanso que se forma, podrían inundarse tenemos aledaños o reconstrucciones anteriores ( puentes, caminos, etc.)
TIPOS DE BOCATOMA a.) Toma discreta Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del rio que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Su mayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azul que por lo general constituye una de las partes de mayor costo. Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente e n época de crecidas, además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación. b.) Toma mixta o convencional Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del rio con una estructura llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fija o móvil dependiendo del tipo del material usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido, por lo general concreto, y será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera. La captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero dependiendo del tirante en el río c.) Toma móvil Se llama asi aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil. Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado. A los barrajes con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellos se les conoce como barraje móvil.Su principal ventaja es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero o azud.
d.) Toma tirolesa o caucasiana
Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, es un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos en intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.
DISEÑO DE ALTURA DE BARRAJE
Altura del barraje 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 paso de agua excedente por encima de su cresta. Es lógico que el nivel de la cresta de la carga suficiente para derivar el caudal diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma. Ventana de captación
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captación. Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar y de las condiciones económicas más aconsejables. Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las siguientes recomendaciones: Ho : altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0,60 m como mínimo h: altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la fórmula de vertedero Q = C.L.H 3/2
COMPUERTAS
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación. Aplicaciones: ·
Control de flujos de aguas
·
Control de inundaciones
·
Proyectos de irrigación
·
Crear reservas de agua
·
Sistemas de drenaje
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Proyectos de aprovechamiento de suelos
·
Plantas de tratamiento de agua
·
Incrementar capacidad de reserva de las presas
CLASIFICACION DE COMPUERTAS a.) Según las condiciones del flujo aguas abajo Compuerta con descarga libre Compuerta con descarga sumergida o ahogada b.) Según el tipo de operación o funcionamiento Compuertas principales De regulación De guarda o de cierre Compuertas de emergencia c.) De acuerdo a las características geométricas Compuertas planas: - Rectangulares
- Cuadradas - Circulares - Triangulares, etc Compuertas curvas o alabeadas: - Radiales - Tambor - Cilíndricas d.) Según el mecanismo de izado Compuertas deslizantes Compuertas rodantes
PRINCIPALES TIPOS DE COMPUERTAS Compuertas Planas Deslizantes Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeñas cabeza de hierro, el espesor y el material de la compuerta dependerá de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas.Este tipo de compuertas han sido utilizadas para todo tipo de cabezas, pero resultan ser mas económicas para pequeñas cabezas y tamaños moderados pues necesitan grandes fuerzas para ser movidas.
Compuertas Planas de Rodillos Las compuertas planas de rodillos están diseñadas especialmente para controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. Son denominadas compuertas de rodillos ya que están soportadas en rodillos que recorren guías fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones a través de los rodillos. Los rodillos minimizan el efecto de la fricción durante la apertura y el cierre de las compuertas, como consecuencia de estos se necesita motores de menor potencia para moverlas. Pueden ser diseñadas para abrirse hacia arriba o hacia abajo. Estas compuertas son muy versátiles ya que pueden diseñarse tanto para trabajar bajo presión en una o ambas caras simultáneamente. Generalmente son de sección transversal hueca, para disminuir la corrosión e infiltraciones son rellenadas con materiales inertes como el concreto.
Compuertas Radiales (Taintor) Las compuertas radiales se construyen de acero o combinando acero y madera. Constan de un segmento cilíndrico que está unido a los cojinetes de los apoyos por medio de brazos radiales. La superficie cilíndrica se hace concéntrica con los ejes de los apoyos, de manera que todo el empuje producido por el agua pasa por ellos; en esta forma sólo se necesita una pequeña cantidad de movimiento para elevar o bajar la
compuerta. Las cargas que es necesario mover consisten en el peso de la compuerta, los rozamientos entre los cierres laterales, las pilas, y los rozamientos en los ejes. Con frecuencia se instalan contrapesos en las compuertas para equilibrar parcialmente su peso, lo que reduce todavía más la capacidad del mecanismo elevador. La ventaja principal de este tipo de compuertas es que la fuerza para operarlas es pequeña y facilita su operación ya sea manual o automática; lo que las hace muy versátiles.
Compuertas Flap o Clapetas Llamadas también clapetas, formadas por un tablero articulado en su arista de aguas arriba que puede abatirse dando paso al agua. Estas compuertas se abren automáticamente por un diferencial de pr esión aguas arriba y se cierran cuando el nivel aguas abajo supera el nivel aguas arriba o cuando el nivel aguas arriba alcance el nivel deseado de almacenamiento.
Existen compuertas clapeta de contrapeso, en las que los tableros se mantenían en su posición elevada por medio de un puntal, hasta que la sobre elevación del nivel del agua les hacía bascular sobre el extremo superior del puntal; también las hay sin contra peso que son recomendadas para aquellos casos de poca altura de agua y gran luz de vano.
Compuertas Ataguía Están compuestas de vigas separadas colocadas unas sobre otras para formar un muro o ataguía soportado en ranuras en sus extremos. La separación de las pilas de apoyo depende del material de las vigas, de la carga que obre en ellas, y de los medios que se disponga para manejarlas, es decir, para quitarlas y ponerlas.
Compuertas Mariposa Las compuertas tipo mariposa son utilizadas para controlar el flujo de agua a través de una gran variedad de aberturas. Aunque pueden ser utilizadas para controlar el flujo en ambas direcciones la mayoría de las instalaciones sólo las utilizan para controlar el flujo en una dirección. Con las compuertas mariposa es posible tener una máxima cabeza de energía en ambos lados de la compuerta. La cabeza estática se mide desde el eje horizontal de apertura de la compuerta. La mayoría de estas compuertas son instaladas en sitios con baja cabeza de presión (menor a 6 metros). Las secciones transversales de este tipo de compuertas normalmente son cuadradas o rectangulares; las s ecciones circulares no son muy comunes ya que estas se utilizan en válvulas mariposa. Son ideales cuando hay poco espacio disponible ya que al girar respecto a un eje, no es necesario disponer de espacio para levantarlas y allí se puede ubicar el mecanismo de apertura. Estas pueden ser utilizadas como reguladoras de flujo, pues al rotar la hoja cambia el tamaño de la abertura y se regula el caudal que fluye a través de ella.
Compuertas Caterpillar (Tractor) Son también conocidas como Compuertas de Broome, en honor a su inventor. Este tipo de compuertas son utilizadas tanto para altas como para bajas cabezas de presión. Han sido utilizadas con cabezas hasta de 200 pies en varios proyectos hidroeléctricos y de control de inundaciones. Ambos extremos de la compuerta están equipados con orugas que facilitan su desplazamiento a lo largo de ranuras paralelas a los lados de la compuerta. Las orugas se mueven alrededor de la compuerta mientras
la compuerta es movida. Este tipo de compuertas es movido por medio de cables de acero tirados por motores, lo que facilita su operación bajo diferentes condiciones de flujo.
Compuertas Cilíndricas Las compuertas cilíndricas consisten en cilindros sólidos de acero (generalmente) abiertas en ambos extremos, que funcionan por el balance de las presiones de agua en las superficies interior y exterior. Este tipo de compuertas generalmente son levantadas por medio de cables o máquinas hidráulicas; como la presión del agua siempre se encuentra balanceada, el único peso que debe ser movido es el equivalente al peso propio de la compuerta.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Análisis Hidrostático Se necesita realizar un análisis hidrostático que no es mas que un estudio de las diferentes fuerzas o empuje que le ofrece el agua en reposo a la compuerta Análisis de Pandeo Es un fenómeno de inestabilidad elástica que puede ocurrir e n elementos esbeltos sometidos a cargas axiales, y que se dan por la aparición de deformaciones importantes transversales a la dirección principal de compresión.
Análisis del empuje en las compuertas Las grandes presiones o empujes que el agua le ofrece a las compuertas hidráulicas son directamente proporcional a la profundida del agua, es decir que mientras más profundo mayor es la presión que el agua ejerce sobre las compuertas hidráulicas.
DESARENADOR Los desarenadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar Se utilizan en tomas para acueductos, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales.
Tipos de desarenadores: - Tipo Detritus (son los más conocidos y utilizados)
Convencional: Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por el agua. Son generalmente de forma rectangular y alargada, dependiendo en gran parte de la disponibilidad de espacio y de las características geográficas. La parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la sedimentación. Desarenadores de flujo vertical: El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Desarenadores de alta rata: Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente
láminas planas paralelas, que se disponen con un ángulo de inclinación con el fín de que el agua ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores que las generalmente usadas para desarenadores convencionales y por tanto éste es más funcional, ocupa menos espacio, es más económico y más eficiente.
- Tipo Vórtice: Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen dos diseños básicos: cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena y cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena.
Criterios de diseño - El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años. - El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento. - El periodo de operación es de 24 horas por día. - Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada. - La transición debe tener un ángulo de divergencia sua ve no mayor de 12° 30´. - La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s). - La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva pues produce velocidades altas en los lados de la cámara. - La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20. - La sedimentación de arena fina (d - La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000.
- La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores de número de Reynolds mayores de 1 000
CANALES Los canales se pueden clasificar según el uso final que tengan: canales para agua potable, riego, drenaje, energía hidroeléctrica, etc. Los canales tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios para cubrir la demanda. En general, el canal de aducción en una cuenca de montaña, es la obra que requiere las mayores inversiones comparando con las demás obras civiles de un sistema hidráulico, ya que debido a su longitud y condiciones topográficas, los volúmenes de excavación, materiales de construcción, etc. superan en general al resto de obras civiles (obra de toma, cámara de carga o tanque de almacenamiento). En muchos casos el costo de inversión del canal será fundamental para establecer la viabilidad de un proyecto.
Diseño hidráulico de un canal: Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección, embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos de operación o seguridad. La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula desarrollada por Chezy:
Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción:
LOCALIZACIÓN
Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones o La situación actual de la infraestructura de Riego de los Sectores de Macas – Lulo – Quilca, no reúne las condiciones mínimas de conducción hídrica, que permita asegurar un mayor y significativo aporte en el desarrollo socioeconómico Local. Esta situación, se corrobora con la identificación del problema central del Proyecto, determinado como “Baja productividad agrícola del Sector de Macas – Lulo - Quilca del Valle de Chillón del Distrito de Santa Rosa de Quives ”, el mismo que comprende tantos aspectos de infraestructura de riego y fortalecimiento de capacidades.
