DOCENTE: ING. OSCAR MAZA ESPINOZA
2014-II
BOCATOMAS INTEGRANTES BERNABE SAVEDRAA, GARY RODRIGUEZ HUACACOLQUI, JIMY RODRIGUEZ BARRUETO, DARWIN VELÁSQUEZ ÁVALOS, NATALY A.
OBRAS HIDRÁULICAS I. BOCATOMAS……………………………………………………………………………………4 1.1. INTRODUCCIÓN 1.2. OBJETIVOS 1.3. MARCO TEÓRICO 1.3.1. DEFINICIONES BÁSICAS 1.3.2. DEFINICIÓN DE BOCATOMA 1.3.3 PARTES DE UNA BOCATOMA 1.3.4. CLASIFICACIÓN DE BOCTOMAS 1.3.5. FINALIDAD DE UNA BOCATOMA 1.3.6. RELACIÓN DE LAS MÁS IMPORTANTES BOCATOMAS DE LA COSTA DEL PERÚ 1.3.7. ELEMENTOS FUNADMENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE UNA BOCATOMA
II. ALIVIADERO DE DEMASIAS…………………………………………………………….22 2.1. MARCO TEÓRICO 2.1.1. DEFINICIÓN 2.1.2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.1.3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE ALIVIADEROS
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OBRAS HIDRÁULICAS I. BOCATOMAS……………………………………………………………………………………4 1.1. INTRODUCCIÓN 1.2. OBJETIVOS 1.3. MARCO TEÓRICO 1.3.1. DEFINICIONES BÁSICAS 1.3.2. DEFINICIÓN DE BOCATOMA 1.3.3 PARTES DE UNA BOCATOMA 1.3.4. CLASIFICACIÓN DE BOCTOMAS 1.3.5. FINALIDAD DE UNA BOCATOMA 1.3.6. RELACIÓN DE LAS MÁS IMPORTANTES BOCATOMAS DE LA COSTA DEL PERÚ 1.3.7. ELEMENTOS FUNADMENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE UNA BOCATOMA
II. ALIVIADERO DE DEMASIAS…………………………………………………………….22 2.1. MARCO TEÓRICO 2.1.1. DEFINICIÓN 2.1.2. CRITERIOS DE DISEÑO 2.1.3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE ALIVIADEROS
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III. POZA DISIPADORA DE ENERGÍA……………………………………………..26 3.1. MARCO TEÓRICO 3.1.1 DEFINICIÓN 3.1.2. CARACTERÍSTICAS 3.1.3. CRITERIOS DE DISEÑO
IV. CANAL DE LIMPIA ………………………………………………………………..29 4.1. MARCO TEÓRICO 4.1.1. DEFINICIÓN 4.1.2. CRITERIOS DE DISEÑO
V. CONCLUSIONES……………………………………………………………………32
VI. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………..33
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I. BOCATOMAS 1.1. INTRODUCCIÓN Los sistemas para abastecimiento de agua potable constan de diversos componentes: captación, conducción, potabilización, desinfección, regulación y distribución; en cada uno se construyen las obras necesarias para que sus objetivos particulares sean alcanzados de forma satisfactoria. La captación se refiere a la explotación del agua en las posibles fuentes; la de conducción al transporte del recurso hasta el punto de entrega para su disposición posterior, la regulación tiene por objeto transformar el régimen de alimentación del agua proveniente de la fuente que generalmente es constante, en régimen de demanda variable que requiere la población, y el objetivo de la distribución, es proporcionar en el domicilio de los usuarios, con las presiones o adecuadas para los usos residenciales, comerciales e industriales normales, al igual el de suministrar el abastecimiento necesario para la protección contra incendios en la zona de demanda, urbana o rural. Debido a la diversidad de fuentes, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente para cada sistema. Sin embargo, los trabajos de bocatoma tienen que incorporar características de diseños estándar que permitan un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y prevención de futura contaminación. Estas características de diseño serán el tema básico de este informe. Queda a criterio del diseñador el incorporarlas dentro de su plan para los trabajos de bocatoma. El supervisor de la construcción debe también estar alerta sobre estos principios de manera que pueda hacer modificaciones en el caso que se presenten problemas imprevistos. El propósito fundamental del trabajo de bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería o canal. Si el agua está sucia, tendrá que dejársele asentar relativamente quieta por un periodo de tiempo. El agua deberá estar protegida, lo más que sea posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y lugareños curiosos). Debe ser construida (la bocatoma) de tal manera que dure lo que dura el sistema. El número de posibles formas de diseño de una bocatoma para una fuente es infinito, influenciado por factores tales como, material disponible, caudal de fuente, nivel de creciente, estabilidad del suelo, topografía de la zona, etc. Este informe presentara varios diseños diferentes, todos los cuales se han usado con éxito en el pasado y por medio de los cuales el diseñador podrá modificar y desarrollar una bocatoma adecuada para su propio sistema. En el siguiente informe presentaremos todo sobre bocatomas, consideraciones previas de diseño, y el diseño de una parte de la bocatoma.
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1.2. OBJETIVOS: 1.2.1. Objetivo general:
Explicar y diseñar una bocatoma así como todas aquellas estructuras con las que interactúa y/o guarda una secuencia.
1.2.2. Objetivos específicos: Explicar que es una bocatoma. Definir las partes principales que tiene una Bocatoma. Conocer las finalidades de la construcción de una Bocatoma. Ver que consideraciones previas al diseño se debe tener en cuenta. Diseño de algunas partes de una bocatoma. Definir y explicar los criterios de diseño de un aliviadero de demasías. Definir y explicar los criterios de diseño de un Pozo disipador de energía. Definir y explicar los criterios de diseño de un Canal de Limpias.
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1.3.
MARCO TEORICO. 1.3.1. DEFINICIONES BASICAS.
Canal: Obra de conducción que tiene el objeto de entregar el agua de ríos y embalses para su disposición adecuada en el punto de la obra de toma.
Rejilla: Elemento utilizado para impedir el paso del material sólido (flotante y de arrastre), que llevan las corrientes superficiales a las obras de toma.
Dique: Estructura utilizada para desviar agua de un río eliminando el acarreo del material de fondo en el cauce.
Conducción: Es el conjunto integrado por tuberías, estaciones de bombeo y dispositivos de control que permiten el transporte del agua desde la fuente de abastecimiento hasta el sitio de entrega, donde será distribuida en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión.
Coeficiente de escurrimiento: Es la relación entre el volumen de agua llovido y el volumen de agua escurrido, en un período determinado de tiempo.
1.3.2. DEFINICION DE BOACTOMA.
Las bocatomas son obras hidráulicas cuya función es regular y captar un caudal determinado de agua. 1
Se define así a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un río, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su utilización en una central hidroeléctrica. En este curso sólo trataremos de aquella toma que captan en forma directa las aguas del río sin ninguna estructura de almacenamiento.2
Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río 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.3
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA/ FACULTAD DE MINAS/Escuela de Ingeniería Civil/ MEDELLÍN 2009/ AUTOR: Ing. Alfredo Mansen Valderrama 2 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA/ FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL/ DEPARTAMENTO/ ACADEMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGIA/ AUTOR: Ing. Ramiro Marbello Pérez 3 UNIVERSIDA NACIONAL DE SANTA / FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL/ BOCATOMA FLUVIAL/ AUTOR: ING. EDGAR GUSTAVO SPARROW ALAMO.
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1.3.3. PARTES DE BOCATOMAS. 1.3.3.1.
Barraje Es una estructura de derivación que se coloca transversalmente al río, dicha estructura tiene la función de elevar el nivel del agua del río para así obtener el caudal necesario para el funcionamiento de la central. Normalmente en centrales de poca potencia, donde el caudal requerido para su funcionamiento no es elevado y cuando en ríos donde su cota es superior a la cota inferior a la ventana de captación y permite el acceso al caudal de diseño a través de la misma, se colocan unas simples estructuras, como unos espigones, formados por rocas, troncos, etc., para conseguir desviar parte del caudal del río hacia la captación. De no ser así, si el aprovechamiento es de mayor importancia se suelen colocar unos barrajes llamados azudes. Estos elevan la cota del río lo suficiente como para conseguir el caudal necesario dejando pasar por la cresta del azud el caudal sobrante, teniendo en cuenta que deben ser capaces también de evacuar el caudal de posibles avenidas normalmente incorporando un aliviadero.
1.3.3.2.
Descarga de fondo Es una compuerta que se coloca al lado del barraje a un nivel inferior por el cual pasa a un conducto que facilitara la eliminación de los posibles materiales que se van acumulando en el fondo de este. En algunos casos dicha compuerta forma parte del propio barraje (azud), esto conlleva la construcción de un pequeño puente por encima del azud para abrir compuertas. DESCARGA
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1.3.3.3.
Solera de captación Situada unos 30 centímetros por encima de la antecámara y antes dela rejilla anterior a la compuerta de admisión, crea un pozo de sedimentos donde se depositan los materiales en suspensión.
1.3.3.4.
Antecámara o zona de decantación. Su función es acumular todos los sedimentos posibles que puedan acarrear daños. Los mismos serán eliminados por medio de la compuerta de descarga de fondo colocada a una cota inferior a esta.
1.3.3.5.
Reja Fina Antes de la compuerta de admisión se coloca una rejilla de acero inoxidable de no más de cinco centímetros de abertura para retenerlos materiales tales como piedras o ramas que se podrían introducir al canal. Si se prevé el paso de broza gruesa se puede añadir otra rejilla más fina. Normalmente las rejas necesitan de un mantenimiento, por lo que se aconseja que sean extraíbles.
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1.3.3.6.
Compuerta de admisión Colocada después de la rejilla fina, esta se encarga de dar entrada del agua al canal de conducción y de retención de la misma en el caso de que sea necesario hacer alguna reparación. Generalmente estas compuertas son de metal o madera y son accionadas manualmente.
1.3.3.7.
Canal Es el encargado de transportar el agua al desarenador y posteriormente a la cámara de equilibrio. Frecuentemente presenta una forma regular aunque se puede dar el caso de que sea irregular. Hay dos tipos de canales, canal abierto o por medio de una tubería. Normalmente para un micro central hidráulico, a no ser por las características del terreno, este canal es abierto.
1.3.3.8.
Aliviaderos Son los encargados de proteger el sistema de una avenida. Estas estructuras facilitan la evacuación del agua que no es necesaria captar. El aliviadero más común, es el del propio azud, que actúa como un canal abierto.
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1.3.3.9.
Disripiador Se encuentra ubicado antes de la reja de captación a unos centímetros por debajo para atrapar los sedimentos pesados que ingresan por la bocatoma.
1.3.3.10.
Contra solera y colchón de agua En la colocación del azud, se adquiere una elevación considerable del río. Dicha elevación, en el momento de la caída del agua por el azud erosionaría el lecho del río que a la vez afectaría a toda la estructura de la bocatoma. Para evitar esta situación, se le coloca una contra solera que no es más que el diseño de un resalto o colchón amortiguador, como su propio nombre indica, para amortiguar la caída del agua sobre el lecho del río, así evitando la erosión del mismo.
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Resumen de todas las partes
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1.4.
CLASIFICACION DE BOCATOMAS. 1.4.1. Bocatoma directa. Son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa, tienen el inconveniente de que el lecho del rio puede variar y dejar la toma sin agua, igualmente en las épocas de estiaje al disminuir el tirante de agua en el rio puede disminuir considerablemente el ingreso de agua en la toma.
1.4.2. Bocatoma de captación lateral. Es una obra de captación superficial y es la más empleada cuando se trata de captar el agua de un rio. La forma más simple de concebir una captación lateral es como una bifurcación.
1.4.2.1.
Bocatoma directa. En las fotografías se presentan obras de toma directa en una corriente, cualquiera que sea el tipo de obra que se elija, debe satisfacer las siguientes condiciones:
La bocatoma se localizará en un tramo de la corriente que esté a salvo de la erosión, del azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual.
En la boca de entrada llevará una rejilla formada por barras y alambrón con un espacio libre de 3 a 5 cm., la velocidad media a través de la rejilla será de 0.10 a 0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante.
El límite máximo de velocidad queda establecido por las características del agua y el material del conducto.
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1.4.2.2.
Bocatoma con barrajes. Son las más empleadas ya que aseguran una alimentación más regular, conservan un nivel constante en la captación que permite dominar una mayor área regable. Estas tomas pueden presentar tres variantes: La toma con barraje fijo, la toma con barraje móvil y la toma con barraje mixto.
1.4.2.2.1.
Bocatoma con barraje fijo.
Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa sólida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación.
Esta solución es posible cuando el régimen del rio es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulación, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa.
Igualmente es aconsejable este tipo de bocatomas cuando el rio tiene un transporte de solidos o una capacidad de transporte apreciable.
Con el objeto de proteger las riveras aguas arriba y aguas debajo de la presa se diseñan muros de encausamiento y protección.
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1.4.2.2.2.
Bocatoma con barraje móvil.
En este tipo de barraje se consigue la retención del caudal y elevación del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contención.
Es conveniente esta solución 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.
En la época de avenidas la toma trabaja con las compuertas abiertas o parcialmente cerradas, de ninguna manera el barraje móvil debe ser un obstáculo para el paso del agua; ya que la obstrucción podría causar rebasamientos desfavorables y en otros casos desbordamientos, por lo que la altura de los pilares y la abertura de compuertas debe calcularse para las máximas descargas.
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1.4.2.2.3.
Bocatoma con barraje mixto.
Tienen una parte de la presa integrada por una estructura sólida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje móvil). La parte móvil tiene en ciertos casos muros guías o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para
eliminar
las
gravas
llamado
también
desempedradores.
El desempedrador tiene una fuerte pendiente y al extremo del mismo se instalan compuertas para la eliminación de los materiales gruesos.
Este tipo de bocatoma se adapta mejor al régimen variable de los ríos de la costa peruana, ya que en la época de estiaje trabajan únicamente con la regulación que se efectúa con el barraje móvil, mediante el cierre o la apertura de las compuertas mientras que en la época de crecidas trabajan con las compuertas de limpia abiertas y el paso libre del flujo encima del barraje fijo.
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1.4.3. Bocatoma tirolesa. La toma tirolesa, también llamada caucasiana, alpina o sumergida. Se trata de una estructura típica de las partes altas de los torrentes de montaña. La captación se efectúa por medio de una rejilla de fondo cuyos barrotes se disponen en la dirección de la corriente. Este tipo de captación es bastante simple y ha dado buenos resultados en torrentes con material grueso. Se utiliza generalmente para captar caudales pequeños.
1.5.
FINALIDAD DE BOCATOMAS. 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: a. b. c. d. e. f.
Obras de toma para abastecimiento público. Obras de toma para irrigación. Obras de toma para centrales hidroeléctricas. Obras de toma para industria y minería. Obras 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.
a.
obras de toma para abastecimiento público.
El abastecimiento de agua a la población es la primera necesidad de agua que debe ser cubierta. El aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un río, constituye una de las formas más antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades se ubicaban en las orillas de los ríos para poder aprovechar sus aguas fácilmente. El crecimiento de la población, la expansión urbana, el aumento de las demandas y otros factores determinaron la necesidad de construir proyectos de abastecimiento de agua para la
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población. Estos proyectos empiezan por una bocatoma para captar el agua de un río, o de otra fuente de agua, y conducirla luego al área urbana. Las obras de toma para abastecimiento poblacional pueden ser muy pequeñas, con un Caudal de Captación de apenas unos cuantos litros por segundo, o muy grandes como la de La Atarjea, que abastece a varios millones de habitantes de la ciudad de Lima. Esta bocatoma, cuya función predominante es el abastecimiento poblacional, sirve también para la satisfacción de algunas necesidades industriales ubicadas en el radio urbano. Cualquiera que sea su tamaño estas obras de toma tienen gran importancia y un enorme contenido social, pues el abastecimiento de agua poblacional es insustituible.
Obras de toma para irrigación.
Después del uso del abastecimiento poblacional, el otro uso importante es el riego. En el Perú, donde hay importantes zonas áridas y semiáridas, la dependencia del riego es muy grande. Al no haber lluvia útil, el aprovechamiento de las aguas superficiales ha sido desde épocas ancestrales esencial para la vida y el desarrollo de las actividades humanas. La costa peruana con sus 800 000 hectáreas cultivadas es una inmensa obra de irrigación, que no podría existir sin la presencia de cientos de bocatomas.
Obras de toma para centrales hidroeléctricas
Hay muchas obras de toma cuya función es captar el agua superficial para su conducción a una central hidroeléctrica. Así, en el río Mantaro se tiene una captación de 90 m /s para generación de energía. Como el Perú aprovecha un porcentaje pequeñísimo de su enorme potencial.
1.6.
PROBLEMAS GENERALES DE LAS BOCATOMAS. En los grandes aprovechamientos hidráulicos el costo de la bocatoma representa sólo un porcentaje muy pequeño del costo total del proyecto. La consecuencia práctica de este hecho es que no se debe escatimar esfuerzos ni tratar de obtener una “estructura económica”, sino
que se debe buscar el máximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un río transporta lo siguiente: a) Agua proveniente de la precipitación que ocurre en la cuenca b) Sólidos, también llamados sedimentos, provenientes de la erosión de la cuenca c) Hielo, en los lugares que existe, y d) Cuerpos extraños como árboles, plantas, basura y desperdicios. Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un río. El transporte de cuerpos extraños constituye una función no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre nosotros. En general, el diseño y operación de una bocatoma en
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muchos de los ríos de la costa peruana presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias: a) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas b) Insuficiente información hidrológica c) Gran transporte sólido y de cuerpos extraños d) Aparición eventual del Fenómeno de El Niño (FEN). Otro de los problemas serios que se presenta frecuentemente en el diseño de una bocatoma se origina en la presencia de eventos hidrológicos extremos: a veces grandes avenidas y otras veces gran escasez de agua.
1.7.
RELACIÓN DE LAS MÁS IMPORTANTES BOCATOMAS DE LA COSTA DEL PERÚ
1.8.
E L E M E N T O S F U N D A M
18
ENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE BOCATOMAS. A) Consideraciones importantes: Son varias las condiciones generales de diseño que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su tipo o características. Entre las principales están las siguientes: a. Asegurar la derivación permanente del caudal de diseño y de los caudales menores que sean requeridos. En algún caso se admite una interrupción temporal del servicio. b. Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseño, que tiene gran cantidad de sólidos y material flotante. En zonas sujetas al Fenómeno de El Niño es mejor utilizar un Hidrograma de Diseño. c. Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación. Muchas veces esta es la clave del diseño eficiente. d. Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista estructural y constructivo. e. Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentación.
B) Ubicación Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del río, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones: a. La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida. b. La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje. c. La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible. Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río (fig. 5)
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Lógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las condiciones topográficas (cota de captación), condiciones geológicas y geotécnicas, condiciones sobre facilidades constructivas (disponibilidad de materiales), evitar posibles inundaciones a daños a construcciones vecinas, etc. Existe posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se va a regar utilizando una misma estructura las dos márgenes, en este caso se recomienda la ubicación del barraje estará en un tramo recta del río.
C) Topografía: Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos: a.
Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.
b.
Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de 100m. X 100m. Como mínimo, la escala no debe ser menor de 1:500.
c.
Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 Y V = 1:200.
d.
Secciones transversales del cauce del río a cada 50m. En un tramo comprendido 1000m. Aguas arriba y 500m. Aguas abajo del eje del barraje; la escala variara entre 1:100 y 1:200.
D) Condiciones Geológicas y Geotécnicas Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos – geotécnicos: a. Curva de graduación del material conformarte del lecho del río 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 pilotes ó tabla, estacas f. Cantidad de sedimento que transporta el río.
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E) Información Hidrológica: Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que esto permitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocatoma. 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. Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la bocatoma, se ha ejecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo que se da por descontado que existe un estudio hidrológico sumamente detallado, y que para nuestro caso, sólo se usaran los datos anteriormente recomendados.
F) Condiciones Ecológicas: Siempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen 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 presupuéstales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones.
G) Otros Estudios:
Estudio de la Demanda
Geología
Diseño Estructural
Topografía
Geodinámica
Diseño Electromecánico
Meteorología
Geotecnia
Procedimientos de Construcción
Hidrología
Sismicidad
Modelos Hidráulicos
Transporte
de
Sedimentos
Hidráulica Fluvial
Materiales
de
Construcción
Diseño Hidráulico
Costos
y
Presupuestos
Estudio de Impacto Ambiental
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II.
ALIVIADERO DE DEMASIAS 2.1. DEFINICION: Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)
2.2. CRITERIOS DE DISEÑO
El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida.
El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.
La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.
Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner.
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√ ⁄
Donde: V = 0.95 µ = Coeficiente de contracción L = Longitud del vertedero
H = Carga promedio encima de la cresta
El flujo siempre tiene que ser subcritico, entonces: h2 > h 1
h1 = 0.8 h2 h = 0.9 h2
Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta
Forma a) b)
c)
d)
Anchos de cantos rectangulares Ancho de cantos redondeados
Afilado con aeración necesaria
En forma de techo con corona redondeada
µ 0.49-0.51 0.5-0.65
0.64
0.79
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El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.
Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).
2.3. ANALISIS ESTRUCTURAL DE ALIVIADEROS Para el criterio de diseño del aliviadero de demasías se usa el siguiente ejemplo:
Fuerzas que intervienen Fh =Fuerza hidrostática Ea = Empuje activo del suelo en suelo friccionante W =Peso de la estructura W´ =Peso del agua Sp =Sub - Presión Sh =Componente horizontal de la fuerza sísmica Sv =Componente vertical de la fuerza sísmica Ve =Empuje del agua sobre la estructura ocasionado por aceleración sísmica y Momento Me. Me =Es el momento que produce la fuerza Ve.
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a) Fuerza Hidrostática (Fh):
b) Calculo de Supresion (Sp):
c) Empuje activo del suelo (Ea):
d) Peso del agua (W’): e) f) g) h)
Peso de la Estructura (w): Componente horizontal del sismo (Sh): Componente vertical del sismo (Sv): Empuje debido al sismo (Ve):
i) Ubicación de la resultante
Se calculan con respecto al C.M. j) Excentricidad (e):
k) Esfuerzos de Comprensión de base (s):
l) Factor de seguridad de volteo (Fs):
( )
m) Factor de seguridad al deslizamiento:
25
III.
POZA DISIPADORA DE ENERGIA: 3.1. DEFINICION:
Los disipadores de energía se usan para disipar el exceso de energía cinética del flujo de agua. Esta energía o altura de velocidad es adquirida por el agua donde la velocidad es alta, tal como en una caída o en una rápida, y el disipador de energía está incorporado dentro del diseño de esta estructura. Un disipador de energía efectivo debe ser capaz de retardar el flujo rápido del agua para evitar daños por fuera de la estructura o en el canal aguas debajo de la misma. El disipador de energía de tipo de impacto dirige el agua a una obstrucción que desvía el flujo en todas las direcciones y de esta manera disipa la energía de la misma. En algunas estructuras el flujo se sumerge dentro de un cuenco disipador donde la energía se difunde. Caídas controladas, y caídas verticales, pantallas de choque a la salida, dados y pozos aquietadores verticales son todos disipadores del tipo de impacto. Otros disipadores usan el empuje hidráulico para reducir el exceso de carga. En este tipo de estructura el agua fluyendo a una velocidad tan alta como la crítica es forzada a formar un resalto hidráulico y la energía se disipa en forma de turbulencia.
3.2. CARACTERISTICAS: Con los pozos de disipadores de energía podemos obtener: a) Energía de la corriente. b) Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo. c) Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erosionable, etc). d) Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras hidráulicas ya que su seguridad no puede quedar comprometida. e) Congelamiento. f) Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones. g) Daños causados a la fauna y la flora por la erosión. h) Proyectos y poblaciones aguas abajo
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3.3. CRITERIOS DE DISEÑO
La energía de los ejes (0) y (1):
Donde Vo = 0
………..1
……………..2
De la figura E0=E1 y despejando V1 tenemos:
[] Por continuidad en el eje (1):
…………3
Donde: L b : Longitud del barraje Q: Caudal máximo de diseño Despejando Y1:
…………………….4 ………….5
De la figura:
………………..6
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El procedimiento de cálculo se realiza mediante un tanteo doble siguiendo la siguiente secuencia: 1º Se asume un valor de r y Y1 a los que llamaremos ras y Y1as 2º Se calcula V1 con la ecuación (3) 3º Se calcula Y1 con la ecuación (4) al que llamaremos Y1C. 4º Con ras hallamos E0 con la ecuación (1) 5º Con Y1C hallamos E1 con la ecuación (2) 6º Hallamos Y2 con la ecuación (5) 7º Con Y2 hallamos un nuevo valor de r con la ecuación (6) al que llamaremos rC. 8° Verificamos las siguientes igualdades r as = r c E0=E1 Y1as=Y1c 9° En caso de cumplirse las igualdades repetir desde el paso 1° al 8°
3.3.1. CALCULO DE LONGITUD DE LA POZA DISIPADORA: Para calcular este valor existen varias fórmulas pero solo usaremos las principales
Fórmula U. S. Borean Reclamation
Fórmula Backmeter
Fórmula Lafranetz
Fórmula Lafranetz
El valor de la longitud de la Poza Disipadora de Energía se elige a criterio en base a los resultados obtenidos, ya que en este caso no se toma ningún promedio.
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IV.
CANAL DE LIMPIAS: 4.1. DEFINICION: 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 las ventanas 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.
4.2. CRITERIOS DE DISEÑO: Para el diseño de un canal de limpia se toma en los 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:
………………………3.48
Donde: Vo: es la velocidad requerida para iniciar el arrastre. C Coeficiente en función del tipo de material; Siendo: 3.2 pare arena y grava redondeada 3.9 para sección cuadrada. 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava. d Diámetro del grano mayor. V Velocidad de arrastre. La figura 20 presenta una gráfica de la ecuación
∶
∶ ∶
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4.2.1. ANCHO DEL CANAL DE LIMPIA: El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:
Donde: B: ancho del canal de limpia, en metros
∶ Caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m3/s. ∶ Caudal por unidad de ancho, en ⁄⁄ ∶ Velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s. ∶ Aceleración de la gravedad, en . 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. (Ver figura 21).
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A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de limpia:
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. Velocidad en la zona de Limpia Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s Ancho de la zona de Limpia Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje.
4.2.2. 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 crítica es:
Donde:
∶ Pendiente critica. ∶ Aceleración de la gravedad, en . ∶ Coeficiente de rugosidad de Manning. ∶ Descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en 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 abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador.
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V.
CONCLUSIONES
Se define a una Bocatoma como hidráulicas cuya función es regular y captar un caudal determinado de agua.
Se defiende a un Aliviadero de Demasías como estructuras que consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.
Se define a una Poza Disipadora de Energías estructuras hidráulicas que se usan para disipar el exceso de energía cinética del flujo de agua.
Se logró conocer los criterios de cada una de las estructuras de las obras hidráulicas mencionadas anteriormente.
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