03/06/2016
UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
DOCENTE: Mg. JACKELINE PELAEZ GAMARRA CUSCO, MAYO DE 2016 1
CONTENIDO UNIDAD 02
DEMANDA DE AGUA PARA RIEGO
DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN
Métodos de cálculo de la evapotranspiración real y potencial Eficiencia de riego. Cedula de cultivos. Dotación de riego. Otras demandas. Balance hídrico. Bocatomas, Principales tipo de bocatomas, Calculo Azud, Calculo colchón y escollera, Calculo canal derivación y muro encausamiento, Calculo canal captación. Desarenadores
DISEÑO DE CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE Y PRESIÓN
Diseño de conductos a superficie libre, Diseño de conductos a presión. Diseño de obras de arte. Acueductos, Sifones, Rápidas.
1
03/06/2016
DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIÓN Mg. Jackeline Peláez Gamarra
Contenido
DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACION
Estudios básicos de ingeniería para el diseño de captaciones Condiciones de diseño Principales tipo de bocatomas Calculo Azud, Calculo colchón y escollera, Calculo canal derivación Muro encausamiento, encausamiento, Calculo canal captación
DESARENADORES
2
03/06/2016
OBRAS DE CAPTACIÓN
(Bocatomas, Obras de toma, Obras de derivación) Son las estructuras hidrául áulicas cons consttrui ruidas en un río o canal, con el objeto de cap captar, es deci ecir, ext extraer, er, una part arte o la tota otalidad del cau caudal que que condu conduce. ce.
3
03/06/2016
4
03/06/2016
FASES DE UNA BOCATOMA
Diseño Planeamiento Construcción Operación Mantenimiento.
ESTUDIOS BÁSICOS DE INGENIERÍA QUE INTERVIENEN EN EL DISEÑO En función de la magnitud e importancia de la obra intervienen en la obra: Topografía Diseño Hidráulico Hidrología Diseño Estructural Transporte de Sedimentos Diseño Electromecánico Hidráulica Fluvial Procedimientos de Construcción Geología (Geodinámica Externa) Costos y Presupuestos Geotecnia Estudio de Impacto Ambiental. Sismicidad Tecnología de Materiales
5
03/06/2016
SESIÓN N° 14
CONDICIONES DE DISEÑO 1) 2)
3) 4)
5)
Asegurar la derivación permanente del caudal de diseño. Proveer un sistema para dejar pasar las avenidas, que tienen gran cantidad de sólidos y material flotante. Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación. Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista constructivo. Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentación.
6
03/06/2016
ESQUEMA DE UNA BOCATOMA
ESQUEMA DE UNA BOCATOMA
7
03/06/2016
TIPOS DE BOCATOMAS
Por su funcionamiento: Bocatoma de lecho (o caucasiana), bocatomas laterales o convencionales. Por el material del que están construidos (concreto, tierra, madera, gaviones etc.) Por su vida útil: temporales, permanentes Por su forma y diseño los tipos de bocatomas, podemos clasificar en: Toma directa Toma Mixta o Convencional Toma móvil Toma Tirolesa o Caucasiana
TOMA DIRECTA Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del río 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 azud que por lo general constituye una de las partes de mayor costo. Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente en época de crecidas, además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.
8
03/06/2016
TOMA MIXTA O CONVENCIONAL Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del río 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.
TOMA MÓVIL Se llama así 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.
9
03/06/2016
TOMA TIROLESA O CAUCASIANA Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, en 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 es intenso, ye que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas. Para concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un caudal determinado previamente, depende de la altura del vertedero, de las condiciones de la cimentación, del flujo en el río, remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los materiales de construcción y del monto del dinero asignado pare la ejecución de la obra.
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: Ubicar en zonas rocosas La ubicación mas apropiada es en los tramos rectos y estables del río. La dirección o ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida. Si se ubica en curva, prefiera la zona externa o convexa. Buscar las partes mas altas Ubicar en las partes mas angostas de los ríos
10
03/06/2016
EL SITIO ELEGIDO DEBE REUNIR LAS SIGUIENTES CONDICIONES:
La dirección del flujo de agua debe ser lo mas estable y definida posible. Garantizar la captación de agua en tiempo de estiaje. La entrada de sedimentos debe ser limitada al máximo. Cumplir con la condición topográfica, pendiente suave, donde se pueda garantizar flujo suscritico. Un punto recomendado es la parte externa de los tramos curvos, la orilla cóncava.
11
03/06/2016
ASPECTOS HIDROLOGICOS Para el diseño de una toma se deben conocer los datos:
Caudal mínimo disponible y nivel de agua mínimo en el río. Para determinar el caudal derivable Para diseñar la ventana de captación Para determinar alturas conjugadas del azud y de la ventana. Caudal máximo para un TR= 50 años y nivel de agua máximo en el río. Para diseñar el azud Para diseñar el regulador con su vertedero lateral
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA GENERALIDADES
SECCION GEOMETRICA DE UN CANAL/RIO
ELEMENTOS GEOMETRICOS
12
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA A) DISEÑO DEL ANCHO DE ENCAUZAMIENTO O ANCHO ESTABLE Donde; Q= Caudal máximo (m³/s)
MÉTODO PETIT MÉTODO ALTUNIN
PLANTA DONDE SE DISEÑARA LA BOCATOMA Cota A
d=
MUROS ENCAUSAMIENTO
Cota B
Compuerta
AZUD
13
03/06/2016
CORTE DE RÍO A DISEÑAR BOCATOMA Niveles de Aguas Normales Niveles de Aguas Extraordinarias
AM
Z=
HT h1
Am
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA B) VENTANA DE CAPTACIÓN
CORTE B-B
V. Frontal B Cota A
D E R A P
b H T
Cota B z
H
Y Cota C
a
Y Y1
Y Cota D
hn h
Y1
D E R A P
Cota E
Y2
B DONDE : H = Carga de Agua Sobre la Cresta. del vertedero. Y1 = Elevación de la Cresta Sobre el Fondo Aguas Arriba. Y2 = Elevación de la Cresta Sobre el Fondo Aguas Abajo. Z = Diferencia de elevación de la Superficie de Agua Arriba y Aguas Abajo(Perdida de Carga). hn = Elevación del Agua bajo el Vertedero sobre la cresta Aguas abajo. h = Tirante Normal del Canal Aduptor o Tirante del desripiador. K = Coeficiente de Correccion a la contraccion lateral debido a la ubicación de loa barrotes. Db = Distanciamiento de Barrotes, Como Minimo 0,20m. Q = Caudal a captarce por la ventana. m3/sg. Ab = Ancho de Barrotes del Mercado, Normal es de 0,10 m. Vec = Velocidad de Entrada al canal. m/sg
14
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA B) VENTANA DE CAPTACIÓN FORMULAS UTILIZADAS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL Cuando no existe sumersión Cuando existe sumersión
h>Y2 z/Y2<0.70 (debe cumplir ambas)
Donde; S=coeficiente de corrección de la sumersión M= coeficiente de descarga Q= Caudal a derivar (m³/s) L= longitud de la ventana (m) H= altura de la ventana (m) C=1.84 = coeficiente normalizado del vertedero N= Nro. de contracciones
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA B) VENTANA DE CAPTACIÓN
Formula para hallar M: KONOVALOF M= (0,407+(0,045H/H+y1))*(1+0,285(H/H+y2)2)*((2*9,81)1/2) BAZIN M = (1,794+0,0133/H)(1+0,55(H/H+y1)2)
Formula para hallar S ZAZIN S 1.051 0.2 ⁄ /⁄
VILLEMONTE .
S 0.1 /⁄
15
03/06/2016
ANGULO DEL MURO QUE TIENE LA VENTANA DE CAPTACIÓN CON RESPECTO A LA CORRIENTE DEL RÍO ÁNGULO DEL RÍO CON LA REJA O VENTANA DE CAPTACIÓN
O I R L E D
90º
Canal
Donde; α= Angulo del muro y el río Vr= Velocidad promedio del río Ve= velocidad de entrada por la ventana de captación
Barraje N O I C C E R I D
CROQUIS DE ENTRADA
Vec 79.81
VR 90º
B
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA c) DISEÑO DE AZUD O BARRAJE De acuerdo a formulas de la US Army Waterways:
Donde; Qmax L Cd B P He Y Hv g V Hd
: caudal máximo en m³/s : longitud de barraje (m) : coeficiente de descarga (2.2 creager) : Ancho del cauce en (m) :Altura del barraje vertedero : Altura de la carga total (m) : tirante aguas arriba del barraje en (m) : Altura de Velocidad (m) : aceleración de la gravedad (m/s2) : velocidad de llegada (m/s) : Carga neta sobre la cresta (m)
16
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA C) DISEÑO DE AZUD O BARRAJE FORMULAS UTILIZADAS PARA EL CÁLCULO DE H H /⁄
Donde; Qmax= Caudal a derivar (m³/s) M= coeficiente de descarga (Bazin o Konovalov) B= longitud de la ventana (m) H= altura de la ventana (m)
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA C) DISEÑO DE AZUD O BARRAJE GRAFICO DEL AZUD DATOS PARA 1m.
X
Gráfico del Azud
TABLA DE VALORES H DATOS CONJUGADOS
Y
0.74
X
DatosConjugadosX
Y
0.000
0.126
0.74
0.00
-0.093
0.100
0.036
0.74
0.07
-0.026
0.300
0.000
0.74
0.22
0.000
0.400
0.007
0.74
0.29
-0.005
0.600
0.060
0.74
0.44
-0.044
0.800
0.112
0.74
0.59
-0.082
1.000
0.257
0.74
0.74
-0.189
1.400
0.565
0.74
1.03
-0.415
2.000
1.220
0.74
1.47
-0.897
2.500
1.960
0.74
1.84
-1.441
3.000
2.860
0.74
2.21
-2.103
3.500
3.820
0.74
2.57
-2.808
4.000
4.930
0.74
2.94
-3.624
4.500
6.220
0.74
3.31
-4.573
0.000
‐0.500
‐1.000
‐1.500
0 7 2 9 4 9 4 3 7 4 1 7 4 1 0 0 2 2 4 5 7 0 4 8 2 5 9 3 . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 2 3
A l t u r a A z u d
‐2.000
‐2.500
17
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA C) DISEÑO DE AZUD O BARRAJE GRAFICO DEL AZUD
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA C) DISEÑO DE AZUD O BARRAJE GRAFICO DEL AZUD
18
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA D) DISEÑO DE LA POZA DE AMORTIGUACION El diseño consistirá en calcular los tirantes conjugados h1 y h2, la longitud de la poza y la profundidad de la misma. POZA DE AMORTIGUACI N H
T=
H
P
P h2
Pf h1 c
b
a d
L= BARRAJE
LONGITUD DE COLCHON
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA D) DISEÑO DE LA POZA DE AMORTIGUACION 1
2 0 1
h2<=Y
Donde; h1=altura contraída conjugada al final de azud y el inicio del resalto q= caudal unitario=caudal sobre el espejo de agua K=coeficiente de perdida de energía y varía de 0.85 a 0.95 g= aceleración de la gravedad en el lugar de diseño = 9.81 H2 se determina con la siguiente fórmula:
2
1 1 1 8 2 1
Condiciones para profundizar cauce para evitar rechazar el resalto hidráulico: • h2>=y es muy necesario para profundizar • h2<=y2 no es necesario profundizar
19
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA D) DISEÑO DE LA POZA DE AMORTIGUACION
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA E) DISEÑO DEL DESRIPIADOR
20
03/06/2016
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA E) DISEÑO DEL DESRIPIADOR
EJEMPLO 01:
Diseñar una bocatoma para las siguientes condiciones:
Caudal a derivar: 2.8 m³/s Caudal máximo: 10.8 m³/s Coeficiente de rugosidad del río: 0.050
21
03/06/2016
CORTE DE RÍO A DISEÑAR BOCATOMA
PLANTA DONDE SE DISEÑARA LA BOCATOMA Cota A
AM
Niveles de Aguas Normales Niveles de Aguas Extraordinarias
d=
MUROS ENCAUSAMIENTO
Cota B
Compuerta
Z=
HT h1
AZUD
Am
22
03/06/2016
PERFIL DEL VERTEDERO
23
03/06/2016
(Espejo de agua) B=b+2zy Q=q/b A=by+zy² V=Q/A T=P+H=1.24 T 0=T+V²/2g
1
2 0 1
>0.74 (H) , 1.63/ 4 2 2 1 1 1 8 2 1
24
03/06/2016
T=P+H+Pr T 0=T+V²/2g
1 2
2 0 1
1 1 1 8 2 1
25
03/06/2016
INGRESE DATOS DE ACUERDO AL GRAFICO:
Cota A = Cota B = Cota C = Cota D = Cota E =
(P=Y1+H)
Y1 = H= Z= Y2 = hn = h=
m m m m m
9.76 9.66 9.20 9.00 8.90
Q= Db= Ab = Vec = Gravedad = K=
2.80 m3/sg CUMPLE 0.20 0.10 m 1.00 m/sg 9.81 m/sg 0.85
Altura de sedimentos
0.20 0.56 0.10 0.30 0.46 0.76
=
0.76 CONFORME
INGRESE DATOS DE ACUERDO AL GRAFICO:
Cota A = Cota B = Cota C = Cota D = Cota E = Y1 = H= Z= Y2 = hn = h=
9.76 9.66 9.20 9.00 8.90
0.20 0.56 0.10 0.30 0.46 0.76
m m m m m
Q= Db= Ab = Vec = Gravedad = K=
=
2.80 m3/sg CUMPLE 0.20 0.10 m 1.00 m/sg 9.81 m/sg 0.85
0.76 CONFORME
1,- Hallando Factor (M)
KONOVALOF M=
2.488
M=
2.787
BAZIN
2,- Para considerar sumergido el vertedero deb e de cumplir las siguientes condiciones: A.-
h 0.76
> >
Y2 0.30 CUMPLE Y EXISTE SUMERSION
B,-
Z/Y2 0.33
< <
0.70 0.70 CUMPLE Y EXISTE SUMERSION
26
03/06/2016
3,- Existe Sumerción, hallamos factor (S). S=
0.4100
4,- Cálculo (b) sin barrotes. b=
6.88
m
=
6.8
/
5,- Número de Espacios de la Ventana (Ne) Ne =
Ne=b/Db, Db=0.20
34.40
34.30 Espacios tendra nuestro diseño. 6,- Número de Barrotes (Nb) Nb =
Nb=Ne-1
33
7,- Espacio Total de Barrotes (Eb).
Ab=0.10
Eb = Nb * Ab Eb =
3.33
8,- Ancho Total de la Ventana de C aptación (B). B=
10.1
m.
9,- Las Medidas de la Ventana seran: a= 0.28 Área del Diseño: A= 2.80
a= 0.28
m2
B=b+Eb Q=A*Vec Q=a*b*Vec a=Q/b*Vec
A l t o
Ancho de Ventana
B=
10.13
27
03/06/2016
10,- Se puede Mejorar el Diseño. Para Mejorar el diseño se tanteara
b= a=
6.00 0.47
Ingresa Valor
Ingrese valor de la base de la ventana. Recuerde que a: no debe ser mayor que la altura del azud
Nota Importante. Será de a cuerdo a la Altura del Azud.
a=Mejorado
0.47
A l t o
Ancho de Ventana
b=mejorado 6.00
Área de Diseño Mejorado. 2.80 A= m2
CONFORME
Comprobación como orificio
28
03/06/2016
Q=P*A*CE/31,536 VR=0.322 m/s
Vr=Q/(b*H)
=71.1°
α
DISEÑO DE DESARENADORES Mg. Jackeline Peláez Gamarra
29
03/06/2016
DESARENADORES Los desarenadores son obras hidráulicas que sirven para separar (decantar) y remover (evacuar) después, el material sólido que lleva el agua de un canal.
DESARENADORES El material sólido que se transporta ocasiona perjuicios de las obras: Una gran parte del material sólido va depositándose en el fondo de los canales disminuyendo su sección. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio del canal. Si los canales sirven a plantas hidroeléctricas, la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastándolas tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminución del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas.
30
03/06/2016
TIPO DE DESARENADORES
EN FUNCIÓN DE SU OPERACIÓN: Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultáneas. Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas de agua. EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO: De baja velocidad v < 1 m/s (0.20 – 0.60 m/s) De alta velocidad v > 1 m/s (1 – 1.5 m/s)
TIPO DE DESARENADORES
Por la disposición de los desarenadores:
En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado.
31
03/06/2016
FASES DEL DESARENAMIENTO
Fase de sedimentación Fase de purga (evacuación)
COMPONENTES DEL DESARENADOR
Canal de ingreso
Vertedero
Transición de entrada
Cámara de sedimentación
Compuerta de salida
32
03/06/2016
CRITERIOS DE DISEÑO CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LAS PARTÍCULAS A SEDIMENTAR Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula, es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm y en los sistemas e riego generalmente se acepta hasta un diámetro de 0.5 mm.
CRITERIOS DE DISEÑO CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO V, EN EL TANQUE La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizar utilizando la fórmula de Campo.
Donde: v = velocidad del flujo (cm/s) d = diámetro (mm) a = constante en función del diámetro
33
03/06/2016
CRITERIOS DE DISEÑO CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CAÍDA W (EN AGUAS TRANQUILAS) Para este aspecto, existen varias fórmulas empíricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran: Peso específico del material a sedimentar ( ps): gr/cm³
Peso especifico del agua turbia ( ρw) : gr/cm³
TABLA 4 PREPARADA POR ARKHANGELSKI, la misma que permite calcular w (cm/s) en función del diámetro de partículas d (en mm). Según Scotti - Foglieni
34
03/06/2016
CRITERIOS DE DISEÑO
35
03/06/2016
12.5°
36
03/06/2016
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN DESARENADOR Se propone diseñar un desarenador de baja velocidad (v < 1m/s) con el objetivo de separar y remover después el material sólido que lleva el agua de un canal de caudal Q = 7 m³/s. El diámetro de la partícula a sedimentar es 0.2 mm. Ancho del canal de ingreso b=2.8m SOLUCION Cálculo de la velocidad del flujo ν en el tanque Utilizamos la fórmula de Camp:
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN DESARENADOR
Cálculo de la velocidad de caída Según arkhangelski
Según Scotti – foglieni
w
Asumimos el valor promedio w= 0.0385 = 0.039 cm/s
37
03/06/2016
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN DESARENADOR
Calculo de las dimensiones del tanque
Para, h=4m
Con condiciones de turbulencia L se debe multiplicar por K. Para V=0.2 m/s, k=1.25 Por lo tanto L=25.50m
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN DESARENADOR
38
