UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD FACUL TAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRÁULICA
DISEÑO DISEÑO DE BOTACTOMA B OTACTOMA
PRESENTADO PRESENTADO POR EL EL ALUMNO:
ESTRADA HERNANDEZ Kevin L
DOCENTE:
Ing. LUIS ANDRÉS LEÓN CHÁVEZ CAJAMARCA-PERÚ 2017
I.
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se dará a conocer cómo se desarrolló el diseño hidráulico de la bocatoma y todos sus componentes teniendo en cuenta que Dentro de los trabajos constructivos para una central hidroeléctrica, existen una serie de estructuras que tienen una función específica y que están diseñadas ordenadamente. este diseño se hace con la finalidad de desviar el agua por un canal a una caseta de maquina donde la energía es transformada de potencial a eléctrica para el presente diseño se emplearon diferentes metodologías: método directo por tramos (para el cálculo de la curva de remanso), para la longitud de la posa se emplearon las ecuaciones de pauloski, schauman y chertovsky. como resultado se obtuvo: altura del barraje (p= 1.29 m), longitud de remanso (l=68 m), profundidad de la posa (h= 1.2 m), longitud de la posa (l = 6.9 m). El diseño de la bocatoma debe estar acorde con las demandas requeridas y condiciones como pendiente caudal mínimo, caudal requerido. etc. estas condiciones son fundamentales a la hora de realizar un diseño de la estructura mencionada ya que si no cumple con el requerimiento necesario no se estará haciendo un buen diseño En el presente trabajo se ha calculado con datos del primer informe presentado con anterioridad
II.
OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL: ➢
Hacer el diseño hidráulico de una bocatoma incluyendo sus componentes, con la finalidad de derivar agua hacia una central hidroeléctrica.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
1
✓
Determinar las dimensiones del barraje.
✓
Determinar las dimisiones del muro de encauzamiento.
✓
Determinar las dimensiones de la poza amortiguadora.
✓
Diseñar la ventana de captación, compuertas, rejilla para sedimentos.
III.
REVISISIÓN DE LA LITERATTURA 3.1 CRITERIOS DE DISEÑO: 1) debe conocer y determinar las características hidráulicas del río, que son los datos básicos para el diseño: Caudal de captación. Qd. Caudal de avenida de diseño. Qmax. Caudal de estiaje. Qmin. ✓ Pendiente promedio de río. S ✓ Ancho del río en la zona de captación. B ✓ Coeficiente de Manning. n La condición principal de que en la zona del cauce, el río cumplan con: ✓ ✓ ✓
F > 1 Flujo Supercrítico F = 1 Flujo Crítico F < 1 Flujo Subcrítico 2) Estimado del Ancho del Río 3) Determinación del Tirante Normal de Río 4) Cálculo de Altura de Sobre Carga Máxima Sobre la Cresta 5) Cálculo de la Altura del Barraje 6) Cálculo de la Longitud del Aliviadero y de la Compuerta de Limpia. 7) Altura del Muro de Encauzamiento sobre el fondo del río. 8) Diseño del Colchón Disipador de Energía del Aliviadero. ✓ ✓ ✓
3.2 CAPTACION: Una bocatoma, o también llamada captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar desde unos cursos de agua, río, arroyo, o canal; o desde un lago; o incluso desde el mar, en ocasiones son utilizadas en grandes ríos, pero su costo es bastante alto; una parte del agua disponible en esta, para ser utilizada en un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, etc. (Tanta
Rodriguez, 2009)
3.3 VENTANA DE CAPTACIÓN La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captación debido a que se encuentra a una altura de 0.60 m. del piso del canal de limpia como mínimo (Ver figura 24). 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:
2
✓
Ho: altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m. como mínimo.
✓
Otros recomiendan ho > H/3, aunque es obvio que cuanto mayor sea ho menor será el ingreso de caudal sólido.
✓
h: altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la fórmula de vertedero:
Fig N°01: Esquema ventana de captación
= ..ℎ /
Donde: ✓
Q: caudal a derivar más caudal necesario para operación del sistema de purga.
✓
C: coeficiente de vertedero.
✓
L: longitud de ventana.
3.4 BARRAJE VERTEDERO O AZUD es una pequeña represa construida a través del rio con la elevar o mantener un nivel de agua en el río, 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 dará ia carga suficiente para derivar el caudal diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma.
3
3.4.1 TIPOS DE BARRAJE a) Barraje Fijo: Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa sólida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación.
Fig. 02: Barraje Fijo
FUENTE: https://www.slideshare.net/hANdREXS/barraje-1 b) Barraje Móvil : Cuando el caudal de la captación es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio. Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas.
Fig. 03: Barraje Móvil con Compuertas Radiales
FUENTE: https://www.slideshare.net/hANdREXS/barraje-1
3.5 POZA DISIPADORA La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desde el vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosión o socavación. Estas estructuras se diseñarán para que el agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo económico, de la cortina o de alguna estructura complementaria.
(SAGARPA, 2008)
4
Fig N°04: Esquema posa disipadora de energía
FUENTE: https://es.slideshare.net/tatyilleras/manual-de-diseo-de-disipadores
3.6 MUROS DE ENCAUZAMIENTO Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados límites con el fin de formar las condiciones de diseño preestablecidas (ancho, tirante, remanso, etc.). Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado. Su dimensionamiento está basado en controlar el posible desborde del máxima nivel del agua y evitar también que la socavación afecte las estructuras de captación y derivación. En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se recomienda que su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del nivel máximo de agua. Con respecto a su cota de cimentación, se recomienda que ésta debe estar por debajo o igual a la posible profundidad de socavación. Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar los esfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es práctica común diseñar al volteo, deslizamiento y asentamiento. (Valderrama, 2012)
3.7 RESALTO HIDRÁULICO es un fenómeno que se presenta exclusivamente en canales, cuando un flujo de agua que viaja a régimen supercrítico choca o alcanza a una masa de agua que fluye en régimen subcrítico; presentándose abruptamente el cambio de régimen, acompañado de una gran turbulencia, disipando energía y realizando una inclusión de aire en la masa líquida. Para que el salto hidráulico realmente se produzca, es necesario que los dos tirantes conjugados que lo acompañan (menor y mayor), sean diferentes del crítico. (VALVERDE DIAZ,
2009)
5
3.8 CURVA DE REMANSO Las curvas de remanso se expresan en términos de la pendiente crítica S c. De esta manera, se demuestra que la gradiente de profundidad dy/dx está físicamente limitada a valores fuera del rango comprendido entre S c y la pendiente de fondo S o. Esta nueva formulación mejora y completa la definición de rangos de gradiente de profundidad en el análisis de curvas de remanso. Adicionalmente, se presentan calculadores en línea para las curvas de remanso. (Victor Miguel, 2016)
3.9 FORMULAS USADAS PARA EL DISEÑO DE BOCATOMA 3.9.1 VENTANA DE CAPTACIÓN
=∗∗ℎ … …….1
Donde: ➢ ➢ ➢ ➢
Donde:
=. = =2. 2 1 =ℎ ℎ =
á = 23 2[/ −ℎ −/] ………2 =− 10 −∗ ……… 3 =ℎ +ℎ ……… 4 =ℎ +ℎ ……… 5
➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
= á á = =ú =á =ℎ =. 0. 6 4 0. 7 2
3.9.2 BARRAJE (AZUD)
6
= + ………6 =∗∗/ ………7
= +ℎ − ………8
Donde:
= = = =. =2. 2 1 =ℎ = = ➢ ➢ ➢
➢ ➢ ➢ ➢
á =∗∗ +ℎ/ ………9 á = á + á ………10 á = 23 2[/ − ℎ −/] +∗∗ +ℎ/ ………11 Donde: ➢ ➢ ➢
á=.= á 0. 6 4 0. 7 2 =ℎ
3.9.3 AGUAS ABAJO DEL BARRAJE
/ ∗ ∗ 0 0 á = (+20) ∗√ ………12 3.9.4 RESALTO HIDRÁULICO
=− 2 + ( 2 ) +2 ∗ ………13 7
= 2 + − ………14 = ………15 = ∗ á ………16
Donde: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢
== = =. :0.85−0.95 > ≤
3.9.5 LONGITUD DEL RESALTO
CUADRO N°01: métodos para calcular la longitud de resalto MÉTODO Pavlovski Schauman
Chertovsky
Practico
FORMULA
.=2.51.9 − ………17 . =3. 6 1− (1+ ) ………18 .=10.3 () −1 ………19 . =5 − ………20 Fuente: Separata de Clase
3.9.6 LONGITUD DE POZA
.=1.2∗. ………21 3.9.7 PROFUNDIDAD DE POZA
= − ………22 8
4 PROCEDIMIENTO Las fórmulas y modo de cálculo esta detalladamente explicado en cálculos y resultados, por lo que ahora solo indicaremos el orden (procedimiento del cálculo)
1. se realiza el modelamiento en la cuenca, con la finalidad de determinar el caudal máximo.
2. estimar las dimensiones del ancho del rio, pendiente media del rio. 3. con las dimensiones del rio, diseñamos la ventana de captación. 4. calculamos hidráulicamente las dimensiones del barraje para estiaje y para máxima avenida.
5. calculamos el tirante normal, aguas arriba del barraje para luego calcular las dimensiones de los muros de encauzamiento
6. calculamos resalto hidráulico después del azud 7. posteriormente calculamos la profundidad y longitud de la poza
4.1 CÁLCULOS CAUDAL CAPTADO POR LA VENTANA:
Q D = 10%Q
QD =
Ancho del río:
Br =
18
m
Ancho de Compuerta:
Bc =
1.5
m
Ancho de Barraje:
Bb =
16.5
m
Calculo del Coeficiente de rugosidad "n":
0. 38-0. 5
Por los tanto el valor de "n" es:
0.810
3
m
/seg
DATO X EL DOCENTE
n=
0.45
Según el perfil presentado en la parte de anexos se tiene la topografía con las cotas correspondientes, entonces: Km
Cota
0+49.00
3555
0+0.00
3556.50
1.50
49.00
= 3556.495−3555 =3. 1 % 9
VENTANA DE CAPTACIÓN EN ESTIAJE Con los datos del primer avance tenemos un caudal que es de 0.280 m 3/seg, con este caudal se procede a diseñar la ventana de captación para la cual se tendrá que sumar el 10% concerniente a las pérdidas por evaporación, esto es el caudal captado por la ventana será de:
=∗∗ℎ
DATOS M= 2.2 b= 1.2
m
Y1 =
1
m
Q d =
0.810
hc=
0.45
3
m /seg m
A. CÁLCULO DEL BARRAJE
10
Cálculo del He
/ =∗
P = Y1 + hc - He Q rio
(estiaje) =
Q D + Q barraje 3
Q rio (estiaje) =
3.192
m /seg
Q D =
0.814
m /seg
Q barraje =
2.380
m /seg
3 3
M=
2.2
Bb =
16.5
m
H e =
0.16
m
P=
1.29
m
A. VENTANA DE CAPTACIÓN Y BARRAJE EN MÁXIMAS Según las formula, se tiene para los datos siguientes:
= 23 ∗ 2 ∗ ∗ℎ +ℎ −ℎ −∗ +∗∗ +ℎ/ 3
Q rio max =
193.4
m /s
g=
9.81
m/s
Cd =
0.65
hc =
0.45
m
f= b= n= N= e=
0.1 1.2 1 5 0.02
m m
M=
2.21
Bb =
16.5
m
He =
0.16
m
h1 =
2
m
2.87
Caudal que pasa por la ventana en máximas: Q v máx =
0.37
3
m /s
Caudal que pasa por el barraje en máximas: Q B máx =
11
192.3
3
m /s
Cálculo de H m y H1 : H m =
3.03
m
H 1 =
3.32
m
Altura de Ventana:
0.55
m
A. TIRANTES NORNAL Y CRÍTICO
Tirante Normal
Yn =
Tirante Crítico Yc =
2.84
m
2.27
m
CURVA DE REMANSO – MÉTODO POR TRAMOS DATOS B=
15
Q=
193.4
n=
0.078
g=
9.81
S=
3.1
Y
A
P
Rh
V
hv
E
ΔE
2.40
36.00
19.80
1.82
5.37
1.47
3.87
2.00
30.00
19.00
1.58
6.45
2.12
1.80
27.00
18.60
1.45
7.16
1.60
24.00
18.20
1.32
1.40
21.00
17.80
1.20
18.00
17.40
12
SE
*SE
ΔX
LONG.
-
0.08
-
0.00
0.00
4.12
-0.25
0.14
0.11
0.08
0.08
2.62
4.42
-0.30
0.19
0.16
0.10
0.18
8.06
3.31
4.91
-0.49
0.27
0.23
0.17
0.36
1.18
9.21
4.32
5.72
-0.81
0.41
0.34
0.30
0.65
1.03
10.74
5.88
7.08
-1.36
0.67
0.54
0.53
1.18
GRAFICA No1: curva de remanso por tramos CURVA REMANSO 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
FUENTE: obtención propia cálculos Long del remanso: L=1.18 m DISEÑO DE LA POSA DISIPADORA ➢
Tirante Menor
− = ∗ 2 ∗∗+
Donde:
q=caudal unitario
ϕ=coeficiente de velocidad= 0.85-0.95 q=
1.95
ϕ=
0.95
Hm =
0.95
P=
0.8
g=
9.81
d1 = ➢
d1 (asumido)
d1 (calcula do)
0.0000
0.3503
0.3503
0.3917
0.3917
0.3976
0.3976
0.3985
0.3985
0.3986
Tirante mayor:
=− 2 + 2 +2∗ ∗ 13
0.4000
m
a
d1 =
0.39
g=
9.81
B=
15
Q B máx =
29.3
V1 =
5
d 2 =
➢
1.23
Tirante d0
/ ∗ ∗ = ∗+2∗ ∗/ Q B máx =
29.3
B=
15
n=
0.078
S=
3.1 ∗ 0
∗ 0
Q B máx
d0
29.3
1.18 1.18
d1 =
0.40
d2 =
1.23
1/
+ 2 ∗ 0
d0 =
/3
226.9230769
1.0130146
1.760682
Necesita Poza
PROFUNDIDAD DE LA POZA =
∗
2
−
Donde:
1
Por tanto:
y=
k=1.1-1.2
k=
1.15
m
0.960
LONGITUD DE POZA . . = 1. 2 ∗ . .
L .P.=
14
6.000
m
RESULT ADO 404.7
RESALTO HIDRÁULICO PAULOSKI:
. . = 2.5 ∗ (1.9 ∗ − ) Entonces:
L.R.=
4.846
m
SCHAUMAN:
.. = 3.6 ∗ ∗ 1 − Entonces:
L.R.=
∗ (1 +
5.247
)
m
CHERTOVSKY:
. . = 10.3 ∗ ∗
(
−1
)/ =
Donde: dc=tirante crítico= dc = Entonces:
L.R.=
0.73 6.054
m
PRÁCTICO:
. . = 5 ∗ ( − ) Entonces:
L.R.=
4.158
m
SE TIENE DE LOS CALCULOS ANTERIORES L.R.=
5.076
m
L.R.=
5.000
m
FORMA DEL PERFIL DE LA CRESTA DEL BARRAJE VERTEDERO 1.85
X
=2(Hd)
0.85
Y
Hd Calado de agua aguas arriba del barraje 1.29 m
15
x
y
H-Y
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80
0.000 0.006 0.021 0.043 0.074 0.112 0.157 0.208 0.266 0.331 0.403 0.480 0.564 0.654 0.750 0.853 0.961 1.075 1.195
1.29 1.28 1.27 1.25 1.22 1.18 1.13 1.08 1.02 0.96 0.89 0.81 0.73 0.64 0.54 0.44 0.33 0.22 0.10
1.40
BARRAJE
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00 0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80
5.RESULTADOS
TABLA No2: cuadro de resultados RESULTADOS OBTENIDOS Ancho Total del Río:
Br =
18.00
m
Ancho de Compuerta:
Bc =
1.50
m
Ancho de Encauzamiento:
Bb =
16.50
m
Altura de Barraje:
P=
1.29
m
Ancho Ventana de Captación:
Bv =
1.20
m
Altura de Ventana de Captación:
Hv =
0.55
m
Número de Barrotes:
N=
5.00
Barrotes de 1"
Nivel de Agua en Máximas:
NAM =
4.32
m
Nivel de Agua en Estiaje:
NAE =
1.45
m
Longitud de Remanso:
L=
1.18
m
Tirante Menor de Resalto:
d1 =
0.40
m
Tirante Mayor de Resalto:
d2 =
1.23
m
Longitud de Resalto:
L r =
5.00
m
Profundidad de Poza:
Yp =
0.96
m
Longitud de Poza:
Lp =
6.00
m
3.03 m. 3.09 m.
3.92 m.
P=
1.29 m.
1.23 m.
0.40 m.
16
=h1 =d2
=d1
Lr =
5.00
Lp =
6.00
yp =
0.96
6. CONCLUSIONES Y RECOMEDACIONES 6.1 CONCLUSIONES ➢
se realizó el diseño hidráulico de la bocatoma y las distintas estructuras que la componen.
➢
se determinó las dimensiones del barraje (dimensiones mostradas en resultados)
➢
se estimó las longitudes de los muros de encausamiento
➢
de diseño la ventana de captación, así como también se determinó las dimensiones de rejilla para sedimento
➢
se estimó la longitud y profundidad de la poza disipadora adicionalmente se realizó el cálculo de la curva de remanso
6.2 RECOMENDACIONES ✓
Se recomienda verificar si es necesario la construcción de un cuenco amortiguador (poza),
✓
Los calculo realizados con programas como el H canales, deben mostrar resultados realistas de no ser así se recomienda realizar cálculos manuales .
7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 7.1 BIBLIOGRAFÍA ➢
definición de bocatoma disponible en: Valderrama, A. M. (2012). DISEÑO DE BOCATOMAS. LIMA, PERU: EDIT. ACDEMICA.
➢
conceptos teóricos sobre poza disipadora de energía disponible en: SAGARPA. (2008). Disipadores de energía. Colombia: PUBICACIONES DE LA SECRETARÍADE AGRICULTURA, (SAGARPA).
➢
criterios de diseño disponible en: Tanta Rodriguez, A. (2009). DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS. Temas académicos. Mexico, Mexico: editores-unievrsitarios.
7.2 LINKOLOGIA ➢
criterios de diseño disponible en
http://www.fomento.gob.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERAL ES/CARRETERAS/NORMATIVA_TECNICA/DRENAJE/: ➢
curva de remanso y resalto hidráulico disponible en:
http://ponce.sdsu.edu/calculo_de_curvas_de_remanso.html 17
8. ANEXOS TABLA N°1: VALORES PARA DETERMINAR LA INFLUENCIA DE DIVERSOS FACTORES SOBRE EL COEFICIENTE n
Fuente: Arturo Rocha FOTOGRAFÍA N°1 captación del proyecto especial chavimochic tercera etapa
Fuente: https://proactivo.com.pe/iii-etapa-de-chavimochic-dinamizara-aun-mas-laeconomia-libertena/
18
