RÁPIDAS Y DESARENADOR

UNI VERS VERSII DAD NACI ONAL DANI EL A LCI DES CAR CARRIÓ RIÓN N ESCUEL ESC UEL A DE F OR ORM M ACI ÓN PROF PROF ES ESII ONAL DE I NGENI ERÍA

ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 3 Objetivo Principal ........................................................................................................................... 3 Objetivo Secundario ........................................................................................................................ 3 I. DISEÑO DE RÁPIDAS ........................................................................................................................ 4 1.1.

DEFINICIÓN: ........................................................................................................................ 4

1.2.

PARTES:................................................................................................................................ 4 ............................................................................................................. 5 .................................................................................................................. 5 ................................ ................................................................................................... 5 ............................................................................................................................. 5 ................................................................................................ ............ 6 ................................ ................................................................................ 6

1.3.

TIPOS DE RÁPIDAS:............................................................................................................. 6 ........................................................................................................... ............. 6 .......................................................................................................... 7 ................................................................... 8

1.4.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS ............................................................ 8 ................................................................................... 8 ........................................................................................................................... 8 .................................................................................................................... 10 ........................................................................................................................... 11 .................................................................................................................... 12 ................................................................................................. ............ 16

1.5.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: ......................................................................................... 17

II. DESARENADOR DESARENADOR .................................................................................................................. ........... 18

DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

1

UNI VERS VERSII DAD NACI ONAL DANI EL A LCI DES CAR CARRIÓ RIÓN N ESCUEL ESC UEL A DE F OR ORM M ACI ÓN PROF PROF ES ESII ONAL DE I NGENI ERÍA

2.1.

CONCEPTOS ...................................................................................................................... 18

2.2.

PARTES DEL DESARENADOR: DESARENADOR: .......................................................................................... 19

2.3.

PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO ......................................................................... 20 ......................................................................................... 20 20 ........................................................................ 20 ..................................................................................................... 20 ........................ 21 .......................................................... 21 .................................... 21 .......................................................................................... 22 ................................................................................................... 22

2.4.

NORMATIVIDAD ................................................................................................... ............ 23 .................................................................................................................... 23 ................................................................................................................. 23

2.5.

24 EJEMPLO REAL ................................................................................................................. 24 ......................................................................................................... 24 .......................................................................... 26 26


2

UNI VERSI DAD NACI ONAL DANI EL A LCI DES CARRIÓN ESCUEL A DE F ORM ACI ÓN PROF ESI ONAL DE I NGENI ERÍA

INTRODUCCIÓN A los alumnos del curso de Diseño de Obras Hidráulicas, como parte de nuestra formación académica y profesional, se nos ha solicitado el diseño de una rápida y un desarenador, con el propósito de obtener los conocimientos básicos para solventar problemas relacionados a estas obras hidráulicas. Estas dos obras hidráulicas no pueden tratarse como complementos de otras obras hidráulicas, puesto que, las obras en cuestión, poseen una función importante y particular, como el desarenador el cual brinda un pretratamiento a las aguas captadas para diversos usos. El trabajo monográfico está dividido en dos partes; la primera, corresponde al diseño de rápidas; la segunda, al diseño de un desarenador. Así mismo, el presente trabajo presenta conceptos, formulas, parámetros de diseño, normativas y ejemplos de diseño, tomados del texto guía del curso y también ejemplos reales propuestos por el grupo de trabajo.

OBJETIVOS Objetivo Principal 

Exponer y detallar los parámetros y criterios básicos para el diseño de las rápidas y desarenadores.



Realizar el diseño de una rápida.



Realizar el diseño de un desarenador.

Objetivo Secundario 

Proporcionar una fuente de información que sirva de guía para el diseño eficiente de una obra hidráulica (Rápidas y Desarenadores).



Proponer técnicas para diseñar un desarenador y rápida en diferentes circunstancias reales.


3


I. DISEÑO DE RÁPIDAS 1.1.

DEFINICIÓN:

Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditada a un estudio económico comparativo.

1.2.

PARTES: En una rápida se pueden distinguir las siguientes partes: 

Transición de entrada



Sección de control



Rampa



Trayectoria



Transición de entrada

Colchón

Transición de salida

Amortiguador 

Transición

de

salida


4


Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión en el canal. El control es logrado por la combinación de una retención, un vertedero o un control notch en la entrada. La entrada usada deberá ser simétrica con respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea suspendida. Las pérdidas de carga a través de la entrada podrían ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeñas que no afecten el resultado final. De otra manera, las pérdidas a través de la entrada deben ser calculadas y usadas en la determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crítico ocurre donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, debería calcularse dicha velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energía al inicio del tramo inclinado.

Es la sección donde se presenta el cambio de pendiente y se caracteriza porque en esta sección se produce el tirante crítico.

Es el tramo de canal con pendiente mayor que la crítica presentándose en él un escurrimiento de régimen súper-critico.

Es una curva parabólica que liga la rampa con la parte inicial del colchón amortiguador. Se adopta esta forma debido a que es la trayectoria libre seguida por el agua, de esta manera se evita que el agua se separe de la plantilla produciendo vibraciones y erosión.


5


Es un depósito formado en su parte inicial por un plano inclinado 1.5:1, después por un fondo plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une mediante un escalón. El objeto del colchón amortiguador es disipar la energía cinética que trae el agua para evitar la erosión de la estructura.

Es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energía y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tall water) al disipador de energía, la .superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transición de salida de concreto y no hay control del flujo después en el canal, la transición puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transición en el sitio de la uña. El tirante de aguas abajo también puede ser provisto por la construcción de un control dentro de la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de salida es despreciable.

1.3.

TIPOS DE RÁPIDAS:

Se pueden distinguir los siguientes tipos:

Son canales de fondo liso con pendientes adecuadas a las condiciones topográficas del terreno y al caudal que se desea evacuar. En ellos, el agua escurre a velocidad apreciable, llegando al pie de la ladera o talud con gran cantidad de energía cinética que requiere ser disipada para no erosionar el lecho del cauce receptor del agua, ni poner en peligro la estructura por socavación de su pie; para esto se emplean tanques amortiguadores con dentellones o bloques. El diseño de las rápidas lisas principalmente está en función del caudal de diseño por evacuar, de las características geométricas escogidas para el canal, de la pendiente del terreno y del material a utilizar. El canal diseñado debe ser capaz de resistir las velocidades que se desarrollen en él y de conducir el agua sin rebosarse para el periodo de retorno seleccionado. Este tipo de canales generalmente se construye en concreto reforzado, lo que garantiza una buena resistencia ante altas velocidades de flujo, por ejemplo, entre DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

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10 y 20 m/s, y en particular para los tipos de concreto (según su resistencia a la compresión) que normalmente se usan en el país. Además, por los caudales que se manejan en estos canales, muy difícilmente se alcanzan velocidades que superen las indicadas.

Son canales con gradas o escalones (Ver Fotografía 8) donde, a la vez que se conduce el agua, se va disipando la energía cinética del flujo por impacto con los escalones, llegando el agua al pie de la rápida con energía disipada, por lo que no se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequeña. Primero, se debe definir el régimen preferencial del flujo para el caudal de diseño, en cuanto a si este sería saltante (se caracteriza por una sucesión de chorros en caída libre que chocan en el siguiente escalón, seguidos por un resalto hidráulico parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en él, el agua fluye sobre los escalones como una corriente estable rasando sobre ellos y amortiguándose por el fluido re circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la disipación de la energía, en el régimen saltante, se produce en cada escalón, al romperse el chorro en el aire, al mezclarse en el escalón o por formación de resaltos hidráulicos; y en el régimen rasante, se produce en la formación de vórtices en las gradas, debido a que las gradas actúan como una macro rugosidad en el canal. Para el diseño de rápidas escalonadas se recomiendan los siguientes pasos3, sin profundizar en el tema por no ser el propósito de este documento: Estimar el caudal de diseño. Evaluar la geometría del canal (pendiente, altura y ancho). Seleccionar la altura óptima del escalón, para obtener el régimen de flujo seleccionado. Calcular las características hidráulicas del flujo. Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En los regímenes de flujo saltante se debe airear el salto en su caída libre de un escalón a otro. Diseñar la cresta de la rápida. Calcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre para recoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos.


7


Si se desea disipar mayor energía se puede adicionar elementos para este propósito como bloques de cemento o salientes en la grada (que bloquean el flujo), rápidas escalonadas con tapas (que interceptan los chorros de agua) o rápidas escalonadas con vertedero y pantalla (forman resalto hidráulico y atenúan el golpe del agua).

Son estructuras conformadas por canales de rápidas lisas que incluyen en su desarrollo longitudinal un escalón u otro elemento disipador de la energía cinética del flujo, prescindiendo en la mayoría de los casos del empleo de estructuras disipadoras en el pie de la estructura. A este tipo de estructuras pertenecen el Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y el Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC); estas estructuras requieren de un diseño especial debido a que disipan la energía del flujo a lo largo del canal y no al pie de ésta.

1.4.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS



En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING “n”

cuando se calcula la altura de muros en una rápida de concreto, se asume valores de n=0.14 y en el cálculo de niveles de energía valores de n=0.010. 

Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froude a lo largo del tramo rápido, para evitar que el flujo no se despegue del fondo.

Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la formación de ondas. Un cambio brusco de sección, sea convergente ó divergente, puede producir ondas que podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a través del tramo inclinado y el disipador de energía. Para evitar la formación de ondas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transición no debería ser menor que 3.375 veces el número de FROUDE (F). Esta restricción sobre ángulos de deflexión se aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el tramo inclinado o DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

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en la poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada puede ser aproximadamente 30°. El ángulo de la superficie de agua con el eje en la transición de salida puede ser aproximadamente 25 ° como máximo. El máximo ángulo de deflexión es calculado como sigue: Cotang α = 3.375 F

(1)

Dónde: (2)

d = tirante de agua normal al piso de la rápida usando d = Área de la sección / Ancho

superior de la sección. g = aceleración de la gravedad (9.81 m/seg², o sea 32.2 pies/seg²). K = un factor de aceleración, determinado abajo:

-

Con el piso de la transición en un plano, K = 0 Con el piso de la transición en una curva circular (3)

-

Con el piso de la transición en una curva parabólica: (4)

El Bureau of Reclamation limita el valor de K hasta un máximo de 0.5, para asegurar una presión positiva sobre el piso. Puede ser usado el promedio de los valores de F en el inicio y final de la transición. En (3) y (4) hv = carga de velocidad en el origen de la trayectoria (a) Lt = longitud de la trayectoria (m) R = radio de curvatura del piso (m) V = velocidad en el punto que está siendo considerado (m/seg)


9


θ = ángulo de la gradiente del piso

en el punto que está siendo considerado

θ = ángulo de la gradiente del piso en el inicio de la trayectoria θ

L

θ = ángulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria L

o

El ángulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transición pueden ser calculados y trazados. Una cuerda que se aproxime a la curva teórica puede ser dibujada para determinar el acampanamiento a ser usado. Limitando el ángulo de acampanamiento en una transición de entrada, se minimiza la posibilidad de separación y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura. Las transiciones de entrada asimétricas y cambios de alineamiento inmediatamente aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque pueden producir ondas cruzadas o flujo transversal que continuará en el tramo inclinado.

La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción son siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) para mantener la estructura dentro de la cimentación. Para rápidas menores de 9 m (30 ps) de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La ecuación de BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado.

La ecuación:

d1 + hv + Z = d2 + hv

(5)

Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevación del piso. Para tramos inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las pérdidas por fricción y la ecuación será: d1 + hv + Z = d2 + hv2 + hf

(6)

En las ecuaciones (5) y (6): d1 = tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m) hv1 = carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m) d2 = tirante en el

extremo aguas abajo del tramo (m) hv2 = carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m)


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La cantidad es la pérdida por fricción en el tramo y es igual a la pendiente de fricción promedio en el tramo, multiplicando por la longitud del tramo . El coeficiente de MANNING es asumido en 0.010. La pendiente de fricción , en un punto del tramo inclinado es calculado como:

Sf = (h v )/R 2

2

4/3

Dónde:

radio hidráulico del tramo inclinado (m) Usando la ecuación (5) o la (6), se asume d2 y se calcula y comparan los niveles de energía. Deben hacerse tanteos adicionales hasta balancear los dos niveles de energía. Otra forma de la ecuación en que la fricción es considerada es: L= ((d1 + hv1) – (d2 + hv2))/(Sa – S)

(7)

Dónde: S = pendiente de fricción promedio a S = pendiente de fondo del tramo inclinado

Usando la ecuación (7), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequeños cambios de energía y se calcula el correspondiente cambio en longitud. Este procedimiento es repetido hasta que el total de los incrementos en longitud sea igual a la longitud del tramo que está siendo considerado. Mientras menor sea el incremento de longitud, mayor será la precisión. La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta sería igual al máxima tirante calculado en la sección, más un borde libre, o a 0.4 veces el tirante critico en el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos (con una capacidad < 2.8 m3/seg es 0.30 m) El tirante y borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que está siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.

Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes más suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

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tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica resultaría en un valor de k constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria parabólica puede ser determinada con la siguiente ecuación: 2

Y = X tan Ѳ + ((tan Ѳ - tan Ѳ ) x )/2L o

L

o

T

(8)

Dónde: X = distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria. (m) Y = distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m) LT = longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m) Ѳo =

ángulo de inclinación del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria

ѲL =

ángulo de inclinación del tramo inclinado al final de la trayectoria.

Puede seleccionarse una longitud de trayectoria LT, que resulte en un valor K = 0.5 o menos, cuando es sustituida en la ecuación (4). La longitud LTes usada entonces en el cálculo de Y, usando la ecuación (8). La trayectoria debería terminar en la intersección de los muros del tramo inclinado con los muros de la poza disipadora o aguas arriba de este punto. Una curva de gran longitud de radio, ligeramente más suave que la trayectoria calculada, podrían usarse. Si es posible la trayectoria debe coincidir con cualquiera que sea la transición requerida. Se asume una elevación para el piso de la poza disipadora y se calcula el gradiente de energía en la unión del tramo inclinado y el piso de la poza. Las variables de flujo en este punto son usados como las variables aguas arriba del salto hidráulico en el diseño de la poza disipadora.

En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, el número de FROUDE debería estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la poza disipadora. Si el número de FROUDE es aproximadamente menor a 4.5 no ocurriría un salto hidráulico estable. Si el número de FROUDE es mayor a 10, una poza disipadora no sería la mejor alternativa para disipar energía. Las pozas disipadoras requieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. A veces son usadas pozas con muros divergentes, que requieren atención especial. Para caudales hasta 2.8 m3/s la ecuación:


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Dónde: b = ancho de la poza (m) Q = Caudal (m3/s)

Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los cálculos iniciales Para estructuras donde la caída vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de energía después del salto hidráulico debería balancearse con al cota del nivel de energía del canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua después del salto hidráulico puede ser calculado de la fórmula:

Dónde: d1 = Tirante antes del salto (m) v1 = velocidad antes del salto (m/s) d2 = tirante después del salto g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)


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RELACION ENTRE PÉRDIDA DE ENERGIA, TIRANTE CRÍTICO Y TIRANTES DE AGUA DE RESALTO (AGUAS ARRIBA Y ABAJO) PARA RESALTOS HIDRAULICOS EN CANALES RECTANGULARES CON RASANTE HORIZONTAL


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Para estructuras donde la caída vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante después del salto puede ser obtenida de la figura 2. La cota del nivel de energía, después del salto hidráulico debería balancearse con la cota del nivel de energía en el canal, aguas debajo de la estructura. Si las cotas no están balanceadas, debería asumirse una nueva elevación para el piso de la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energía. Los tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido. Si la revisión indica, el piso de la poza debería ser bajado o también se podría asumir un ancho diferente de la poza para luego repetir el procedimiento de diseño. La longitud mínima de poza (Lp) para estructuras usadas en canales es normalmente 4

veces . Para estructuras en drenes, donde el flujo será intermitente y de corta duración, la longitud mínima puede ser alrededor de 3 veces . El borde libre es medido sobre el nivel máximo de energía después del salto hidráulico. Cuando la poza disipadora descarga intermitentemente o descarga hacia un cauce natural u otro no controlado, debería construirse un control dentro de la salida de la poza para proveer el tirante de aguas abajo necesario. El tirante crítico en la sección de control debe ser usado para determinar el nivel de energía después. Cuando la poza descarga hacia un canal controlado, el tirante en el canal debe ser calculado con un valor del canal, reducido en un 20% y este tirante usado para determinar el nivel de energía después. Si se usa una poza con paredes divergentes, el ángulo de deflexión de los muros laterales no debería exceder el ángulo permitido en los muros de la sección inclinada. Se puede usar lloraderos con filtro de grava para aliviar la presión hidrostática sobre el piso y los muros de la poza disipadora y transición de la salida. Son provistos bloques en el tramo inclinado y el piso para romper el flujo en chorro y para estabilizar el salto hidráulico. Si una transición de salida no es provista, se requerirá de un sólido umbral terminal. La cara aguas arriba del umbral debería tener una pendiente 2: 1 y la cara después debería ser vertical. La cota de la cima del umbral debería ser colocada para proveer el tirante aguas abajo en el salto hidráulico.

POZA DISIPADORA Y UMBRAL TERMINAL


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Una poza disipadora y una transición de salida construidas para las dimensiones recomendadas tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el agua turbulenta, pero la estructura debe contener suficiente de la turbulencia para prevenir daños por erosión después de la estructura.

Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no sería un disipador efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidráulico estable. Un flujo no estable y pulsátil puede producirse en rápidas largas con una fuerte pendiente. Estas ondas se forman en rápidas largas de aproximadamente 60 m y tienen una pendiente de fondo más suave que 20. La máxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad máxima de flujo momentáneo y pulsátil es dos veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden también formarse en una rápida. Estas son causadas por: 1. Transiciones abruptas de una sección del canal a otra; 2. Estructuras asimétricas; 3. Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.

La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida, siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas en las secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de dirección en las estructuras. Algunas secciones de la rápida son más probables a sufrir ondas que otras secciones. Secciones poco profundas y anchas (tipo plato) parecen ser más susceptibles a flujo transversal, mientras que secciones profundas y angostas resisten tanto al flujo transversal como al flujo inestable y pulsátil Las secciones de rápida que teóricamente pueden prevenir la formación de ondas han sido desarrolladas. Un tramo de rápida teóricamente sin ondas es mostrado en la siguiente figura:

SECCIÓN TEÓRICA DE UNA RÁPIDA DE FLUJO ESTABLE. LA FORMA TRIANGULAR PROVIENE TANTO DE LAS ONDAS CRUZADAS COMO DE FLUJO NO ESTABLE


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1.5.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: 1. Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada. 2. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida. 3. Calcula las variables de flujo en la sección de la rápida. 4. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida. 5. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular las características del flujo aguas arriba del salto hidráulico. 6. Determinar el gradiente de energía en el canal después del salto hidráulico. 7. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza y recalcular los valores arriba mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energía. 8. Revisar por operación adecuada con capacidades parciales. 9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza. 10. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal o transición de salida como se requiera. 11. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura. 12. Proporcionar protección en el canal después, si es requerido.


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II. DESARENADOR 2.1.

CONCEPTOS Son obras hidráulicas que sirven

para separar (decantar) y remover

(evacuar)después,elmaterialsólidoquellevaelaguadeuncanal. Tieneporobjetoseparardelaguacrudalaarenaypartículasensuspensión gruesa, con la finalidad que se produzcan depósitos

de la obras de

conducción,protegerlasbombas dela abrasión y evitarsobrecargasenlos procesosposterioresdetratamiento.Eldesarenadorserefierenormalmente alaremocióndelaspartículassuperioresa02mm.

CLASES DE DESARENADORES 1.

.-La sedimentación y la evacuación con dos operaciones simultáneas.

2.

.- (Intermitente) que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados.


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2.2.

PARTES DEL DESARENADOR: VERTEDERO

CANAL DE CANAL DE

TRANSICIÓN DE

2.2.1

2.2.2

CAMARA DE SEDIMENTACIÓN

Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizado a su vez la velocidad. Las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal.

De esto se tiene el diseño de desarenadores para una velocidad entre 0.1 m/s y 0.4 m/s con profundidad media entre 1.5m y 4m , con sección transversal rectangular o trapezoidal dando mejor resultado hidráulico la sección trapezoidal para pendientes entre 1:5 y 1:8.

2.2.3

Pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. La velocidad límite es 1 m/s, para evitar turbulencias.

2.2.4

Sirve para desalojar los materiales de depósitos en el fondo, para facilitar el movimiento de las arenad hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuertes de 2 al 6%, incrementando de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente


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no se incluye en el tirante de cálculo, si no que el volumen adicional se lo toma como depósitos para las arenas sedimentarias entre dos lavados sucesivo. 2.2.5

2.3.

El cual da servicio mientras se está lavando el desarenador, tiempos cortos.

PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO

Pre tratamiento y acondicionamiento previos Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas. La sedimentación es un proceso muy importante. Las partículas que se encuentran en el agua pueden ser perjudiciales en los sistemas o procesos de tratamiento ya que elevadas turbiedades inhiben los procesos biológicos y se depositan en el medio filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua efluente de los filtros.

Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximo diario.

Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de pre tratamiento y acondicionamiento previo.

Variaciones de temperatura y régimen de lluvias.


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a) Estudio de fuentes: que incluya los aforos y los regímenes de caudal de por lo menos los últimos tres años.

b) Zona de ubicación: levantamiento topográfico a detalle, análisis de riesgo y vulnerabilidad de ella a desastres naturales.

c) Análisis de suelos y geodinámica

d) Análisis de la calidad del agua.

La selección de los procesos dependerá de la calidad del agua, los riesgos sanitarios involucrados, y la capacidad de la comunidad. Normalmente las plantas de tratamiento de agua en el medio rural utilizan los desarenadores y sedimentadores convencionales.

Parámetros básicos de calidad del agua. 

E. Coli, se aceptan como alternativa las bacterias coliformes fecales.



Turbiedad.- En aquellos lugares donde se tenga evidencia de la existencia de sustancias nocivas o

metales pesados se deberán

exigir los análisis respectivos.

Los diseños deben contemplar los riesgos que conllevan las amenazas más frecuentes de fenómenos naturales y otros predominantes en la zona: lluvias, sequías, sismos, etc., principalmente en cuanto a su ubicación.


21


De las estructuras e instalaciones a: 

Crecidas e inundaciones.



Períodos de sequía.



Contaminación de la fuente.



Intensidad y magnitud de sismos.



Erosión.

Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.

Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de partículas por acción de la gravedad.

Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.

Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.



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.



El periodo de operación es de 24 horas por día.



Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al


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desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada. 

La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.



La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más eficiente en régimen laminar



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.

2.4.

NORMATIVIDAD La Norma 0S.020 del Reglamento Nacional de Edificaciones nos manifiesta lo siguiente:

Establece las condiciones generales que debe cumplir los desarenadores.

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Aguas sin sedimentación posterior deberá eliminarse 75% de las partículas de 0.1 mm de diámetro y mayores.

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Aguas sometidas a sedimentación posterior deberá eliminarse 75% de la arena de diámetro mayor a 0,2 mm. Deberá proyectarse desarenadores cuando el agua a tratar acarree arenas. Estas unidades deberán diseñarse para permitir la remoción total de estas partículas.


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El periodo de retención debe estar entre 5 y 10 minutos.

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La razón entre la velocidad horizontal del agua y la velicidad de sedimentación de las partículas debe de ser inferior a 20.

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La profundidad de los estanques debe de ser de 1,0 a 3,0 m.

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En el diseño se deberá considerar el volumen de material sedimentable que se deposita en el fondo. Los lodos podrán removerse según procedimientos manuales o mecánicos.

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Las tuberías de descarga de las partículas removidas deberán tener una pendiente mínima de 2%.

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La velocidad horizontal máxima en sistemas sin sedimentación posterior será de 0.17 m/s y para sistemas con sedimentación posterior será de 0.25 m/s.

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2.5.

Deberá existir, como mínimo, dos unidades.

EJEMPLO REAL

1. Toma y Desarenador Huayllapa: Donde se captará y desarenará parte de las aguas del río Huayllapa.


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2. Túnel de Conducción Huayllapa (6.2 Km.): Conducirá las aguas desde el Desarenador Huayllapa hasta la entrada del Pique Vertical 1. 3. Toma y Reservorio Pumarinri: Donde se captará y embalsará parte de las aguas del río Pumarinri. 4. Túnel de conducción Pumarinri (5.1 Km.): Conducirá las aguas desde el Reservorio Pumarinri hasta la entrada del Pique Vertical 1. 5. Pique Vertical 1: A través de este túnel las aguas caerán 850 m. En el pie de la caída se ubicará la Casa de Máquinas 1. 6. Casa de Máquinas 1: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. La energía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de Transmisión. 7. Túnel de Descarga 1 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas utilizadas para la generación eléctrica al río Pumarinri, sin alteración alguna en su calidad. 8. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 1: Permitirá el ingreso del personal a la Casa de Máquinas 1 para labores de operación y mantenimiento. 9. Toma y Reservorio Sahuay: Donde se captará y embalsará parte de las aguas del río Pumarinri. 10. Túnel de Conducción Rapay (4.9 Km.): Conducirá las aguas desde el Reservorio Sahuay hasta la entrada del Pique Vertical 2. 11. Pique Vertical 2: A través de este túnel las aguas caerán 660 m. En el pie de la caída se ubicará la Casa de Máquinas 2. 12. Casa de Máquinas 2: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. La energía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de Transmisión. 13. Túnel de descarga N° 2 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas utilizadas para la generación eléctrica al río Rapay, sin alteración alguna en su calidad. 14. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 2: Permitirá el ingreso del personal a la Casa de Máquinas 2 para labores de operación y mantenimiento.


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15. Línea de Transmisión: Transportará la energía eléctrica generada en las Casas de Máquinas 1 y 2.

1. Río Rímac 2. Dosificador de polímeros 3. Desarenadores 4. Precloración 5. Estanques reguladores 6. Dosicación de coagulantes 7. Decantación 8. Planta de recirculación 9. Filtración 10. Cloración 11. Reservorio de almacenamiento


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RÁPIDAS Y DESARENADOR

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