1 ventana de captación

OBRAS HIDRAULICAS

Manuel Vicente HERQUINIO ARIAS Ing. MECANICO DE FLUIDOS

HIDRAULICA e HIDROLOGIA

I. INTRODUCCION

El agua es fuente de vida y este recurso hdrico cobra ms importancia da a da ya que la poblacin del mundo se duplica cada cuatro dcadas.

Se requiere de Estructuras Hidrulicas que permitan el aprovechamiento

de este recurso as como tambin sirvan de proteccin adecuada durante las avenidas.

Un buen diseo consiste en proponer la mejor solucin Tcnica y Econmica tomando en cuenta:

Que construir una estructura implica adicionar pesos al medio natural y que el medio natural va a responder con diversos cambios sobre la estructura y al medio mismo.

Que una estructura nueva va a afectar tanto a la naturaleza como a los habitantes

de la zona.

Clasificacin de las Obras Hidrulicas

Por su propsito:

Estructuras de Irrigacin

Estructuras para Abastecimiento

Estructuras para Generar Energa

Hidroelctrica

Estructuras para Navegacin

Estructuras para Proteccin de

riberas y control de crecientes

Drenaje y alcantarillado

Clasificacin de las Obras Hidrulicas De acuerdo a su funcin:

Obras de captacin: Por gravedad como toma de derivacin, presa de embalse y Mecanizado por medio de pozos.

Obras de conduccin: canales, tneles, pasos de depresin como acueductos, sifones tuberas de presin.


Obras de proteccin:

Desarenador, aliviaderos de demasas, desfogues, disipadores de energa (Rpidas cadas,..), tanques de presin, defensas ribereas, canales de limpia, canales de drenaje. Rpida Escalonada

Proyecto Especial OLMOS - TINAJONES

Obras de regulacin: reservorios, compuertas, divisores, medidores

Reservorio Poechos- 1000 (MMC) Proyecto Especial CHIRA - PIURA


II. OBRAS DE CAPTACION

II. OBRAS DE CAPTACION Es el conjunto de estructuras que permiten captar agua de una

fuente superficial subterrnea para su derivacin y aprovechamiento.

Se pueden clasificar en: obras de almacenamiento y obras de toma por derivacin directa.

Las obras de almacenamiento consisten en presas que cierran el cauce del ro, formando un reservorio que permite regular el uso del caudal del ro, almacenarlo en pocas de crecientes y utilizarlo en pocas de sequa.

Las tomas por derivacin directa captan el agua que viene por el ro o quebrada sin ninguna regulacin o sea se aprovecha el caudal que hay en un momento dado.

OBRAS DE CAPTACION Captacin Directa por Gravedad

En este curso nos ocuparemos de la captacin directa por gravedad que se origina en un ro, a la cual se le conoce como Bocatoma Estructura de Captacin de Cabecera

Bocatoma

Estructura de Captacin de Cabecera

Toma Directa

Sin regulacin

III. BOCATOMAS

Bocatoma es una estructura que tiene por finalidad derivar parte o el total del caudal que discurre en un ro con el fin de: irrigar un rea bajo riego, generar energa elctrica o dotar de agua potable

Funciones de una Bocatoma: Garantizar la captacin de una cantidad constante de agua,

especialmente en pocas de esto (Q ro > Q captacin) Impedir, hasta donde sea posible, el ingreso de materiales

slidos y flotantes, haciendo que estos sigan el curso del ro o facilitando la limpieza.

Proteger el resto del sistema de obras hidrulicas y cauces

aledaos del ingreso de avenidas o embalses que pudieran producirse en las pocas lluviosas.

.

Bocatomas - Clasificacin

Por el material del que estn hechas: concreto, piedra, tierra, madera, "champas", ramas, etc..

Por su vida til: permanentes (concreto), temporales (piedra, tierra, madera, "champas", ramas, etc ).

Por el mtodo de construccin: concreto armado, concreto ciclpeo, mampostera, gaviones y otros.


Por su forma y diseo: Barraje total, Barraje parcial, espigones, Barraje mvil, Barraje fijo, Barraje sumergido o del tipo Tirol.


Por su forma y diseo:

Presa Derivadora Sullana Barraje Movil

Proyecto Especial CHIRA- PIURA

Rejilla

Galera

Bocatoma Sumergida

Toma Caucasiana Tipo Tirol

Criterios de Diseo Ubicacin

Depende de: Configuracin del terreno (pendiente del cauce, ancho del valle) Topografa (cota de captacin) Condiciones geolgicas: presencia de fallas, arcillas y calizas en

las zonas de cimentacin de la bocatoma. Geotecnia del lugar del emplazamiento, capacidad portante de

los suelos. Facilidades constructivas (disponibilidad de materiales) Evitar posibles inundaciones o daos a las reas vecinas Variaciones hidrolgicas del lugar que nos servir de

emplazamiento. La ubicacin ms apropiada para una bocatoma es en los tramos

rectos y estables del ro.

Criterios de Diseo Ubicacin

Si se trata de una curva, la

ubicacin de la toma deber ser al finalizar la curva (lado cncavo), desde el punto de vista de transporte de sedimentos este lugar se considera ms adecuado, ya que en este punto el flujo secundario en el fondo se aleja de la toma y no esta expuesto a la sedimentacin.

Criterios de Diseo Topografa

Definida la posible ubicacin, se realizarn los siguientes trabajos topogrficos:

Levantamiento en planta del cauce del ro, entre 500m. a 1000 m.

tanto aguas arriba como aguas abajo del Barraje, la escala recomendada es 1:2000.

Levantamiento localizado de la zona de ubicacin de la bocatoma, se recomienda un rea de 100m. x 100m. como mnimo, la escala no debe ser menor de 1:500.

Perfil longitudinal del ro, por lo menos 1000m. aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del Barraje, la escala recomendada es 1:2000 H y 1:200 V.

Secciones transversales del cauce del ro a cada 50m. en un tramo comprendido entre 1000m. aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del Barraje, la escala variar entre 1:100 y 1:200.

Criterios de Diseo

Geologa y Geotecnia Es importante conocer las condiciones geolgicas,

geomorfolgicas y geotcnicas, ya que su conocimiento permitir dimensionar con mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtencin de los siguientes datos como resultado de los estudios geolgicos geotcnicos:

Curva granulomtrica del material conformante del lecho del

ro. Seccin transversal que muestre la geologa de la zona de

ubicacin de la bocatoma. Coeficiente de permeabilidad Capacidad portante Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes tablaestacas

(para determinar la profundidad de cimentacin) Transporte de sedimentos del ro.

Criterios de Diseo Hidrologa

El diseo de estructuras hidrulicas est ntimamente ligado al conocimiento de las descargas de un ro, en el caso de Bocatomas importa de manera especial la descarga mxima, el valor medio y los valores mnimos, as como la ley de probabilidad de ocurrencia de los mismos. Existen diversos mtodos de determinacin de Mximas

Avenidas, el diseador elegir el ms conveniente y factible a realizar de acuerdo a la disposicin de datos hidrolgicos, como son, Mtodos: Hidrolgicos, Histricos, Directos o Hidrulicos, Empricos, Estadsticos Probabilsticos y de Correlacin Hidrolgica.

INFRAESTRUCTURA PERIODO DE RETORNO Encauzamiento sin poblacin afectada 25 a 50 aos Encauzamiento con poblacin alejada 50 a 100 aos Proteccin de zonas urbanas 200 a 500 aos

Partes de una Bocatoma

Barraje, Presa de Derivacin, Dique, Azud Barraje Fijo

Obliga a que toda el agua que pasa por debajo de su cresta entre a la toma y en pocas de avenida se comporta como un vertedor.

Las Tomas convencionales estn generalmente ubicados en los ros de cuencas altas (Q pequeos, S grandes, V grandes, y Q slidos altos en pocas de avenida). Estas tomas se componen de los siguientes elementos principales:

Partes de una Bocatoma Ventana de Captacin Abertura con enrejado que impide el paso del material slido y

flotante demasiado grueso, para esto el umbral de la reja se coloca a cierta altura del fondo.

Colchn disipador Zampeado al pie del azud Sirve para disipar la energa de manera que el agua pase al

cauce no revestido con velocidades lo suficientemente bajas para no producir erosiones.


Compuerta de Limpia Compuerta de purga

Ubicada en un extremo del azud al lado de la reja de entrada, la funcin de esta compuerta es la de mantener limpio el cauce frente a la reja, la eficiencia es pequea. En poca de avenida ayuda a regular el caudal captado.

Partes de una Bocatoma Canal de Limpia o Barraje

Mvil Elimina el material de

arrastre que se acumula delante de las ventanas de captacin. Para determinar el ancho del canal de limpia se debe considerar:

El canal de limpia debe transportar por lo menos dos veces el caudal a derivar o debe ser igual al caudal medio del ro.

El ancho debe ser un dcimo de la longitud del barraje.

Partes de una Bocatoma Desripiador Estructura que captura gran parte del

material que logra pasar la reja, este desripiador debe tener una compuerta hacia el ro para lavar peridicamente el material acumulado.

Transicin de entrada al canal Al ingresar el agua por la ventana de

captacin este pasa hacia el desripiador que es una estructura ancha al inicio y se va angostando hasta entregar el flujo al canal principal que generalmente tiene una seccin ms estrecha. Por lo tanto es necesario intercalar una transicin entre los dos para evitar que haya grandes prdidas de energa entre la ventana de captacin y el canal.

Canal tnel Estructura hidrulica que puede conducir

agua hacia el objetivo deseado central hidroelctrica, rea de riego,...


Aliviadero de Demasas Estructura que facilita la evacuacin de agua excedente o

superior al caudal que se desea captar.


Desarenador En pocas de lluvia, los ros

acarrean abundantes materiales slidos, tanto de fondo como en suspensin, debido a la erosin que provocan en todo su recorrido. Por ello es importante contar con desarenadores o decantadores, particularmente en obras de Centrales Hidroelctricas. Un buen diseo pondr especial atencin en la velocidad del agua dentro del desarenador y en su longitud.

IV. VENTANA DE CAPTACION El agua se capta por medio de un

orificio que se encuentra en una en ambas mrgenes.

Este orificio es provisto de barrotes verticales o ligeramente inclinados que impiden el paso del material flotante y de piedras mayores al espacio entre los mismos.

VENTANA DE CAPTACION

Diseo Hidrulico Flujo Libre En estiaje el vano de la reja funciona como un vertedor. La carga necesaria viene del remanso producido por el azud. Altura del umbral del orificio (hu) : hu = 3 +b.l, hu: {0.50 a 1.50 m} : dimetro medio de los sedimentos ms gruesos b.l: borde libre 0.10 m El dintel debe llegar a tener una altura superior a la de la creciente. El muro en el cual se ubica la reja por lo general es perpendicular a la direccin del azud, sin embargo es conveniente darle una inclinacin respecto a la direccin del ro tanto para acortar la longitud para llegar a un terreno alto, como para mejorar las condiciones hidrulicas, se recomienda de ser posible, que el eje de la toma forme un ngulo de 20 a 30 con respecto al ro.

Coeficiente de vertedero

TIPO DE VERTEDERO FORMA

Corona ancha 0.49 051

Corona ancha redondeada 0.50 0.55

Canto afilado 0.64

Canto afilado 0.62

Cima redondeada 0.79

Tipo Creager 0.75

Altura del tirante sobre el vertedero (h) :

Frmula de vertederos de

Forcheimer: Q: caudal de captacin m3/s : coeficiente del vertedero segn

la forma de la cresta ver Tabla

h: altura de carga hidrulica tirante de agua sobre la cresta del vertedero m

L: longitud de la ventana de captacin m, por lo general de 3 a 4m

323

2ghLQ


Diseo Hidrulico Flujo Libre


Rejillas

Son platinas unidas mediante soldadura formando paneles, tiene el objetivo bsico de impedir que los materiales de arrastre y suspensin ingresen al canal de derivacin. La separacin entre barrotes variar entre 2 a 4 (material fino) y de 4 a 8 (material grueso). Para facilitar la limpieza, la colocacin de la rejilla puede tener una pequea inclinacin de 1: , como tambin las rejillas pueden sobresalir y no estar al ras.

VENTANA DE CAPTACION Rejillas

Prdida de carga en Rejillas (hr) Las prdidas de carga en las rejillas se deben a que estas producen perdidas

por: obstruccin, contraccin de la entrada y resistencias producidas por el rozamiento del agua. La frmula de CREAGER nos da un buen criterio para evaluarla.

Kt: coeficiente de perdida en la rejilla an: rea neta a travs de la rejilla ag: rea bruta de las rejillas y sus soportes Vn: velocidad a travs del rea de la rejilla Ving: velocidad de ingreso en: espacio neto a travs de la rejilla eg: espacio bruto de las rejillas y sus soportes

g

ningn

g

n

g

nt

ntr

e

eVV

a

a

a

aK

g

VKh

22

45.045.12


Diseo Hidrulico Orificio En condiciones extremas (caudal de

avenidas) la ventana de captacin se comporta como orificio de descarga sumergida.

Para orificios con descarga completamente sumergida (ahogamiento total):

Cd = 0.675, Coeficiente de descarga

para orificios de pared delgada Ao: rea del orificio h: diferencia de niveles

hgACQ od 2

h

VENTANA DE CAPTACION Ejemplo de Aplicacin

Se trata de captar un caudal de 3.7 m3/s en estiaje mediante una ventana de captacin. El dimetro medio de los sedimentos ms gruesos es de 20 cm. De acuerdo al material flotante las rejillas sern de platinas de x 2 espaciadas cada 10 cm y tendrn una inclinacin de 1V: H para facilitar la limpieza. Dimensionar la Ventana de Captacin y determinar la perdida de carga debido a las rejas.

Como m = 20 cm, la altura del umbral de la ventana de captacin ser de 60cm. sobre el fondo. Aplicando la frmula de Forcheimer: Q = 3.7 m3/s = 0.55 (vertedero de corona ancha, de la Tabla) Reemplazando en la ecuacin obtenemos: escogemos L= 2.2m y h=1.05m (incluyendo correccin por perdida de carga por obstruccin)

323

2ghLQ

278.223

hL

L h

2 1.09064266

2.2 1.02349885

VENTANA DE CAPTACION Ejemplo de Aplicacin

Determinamos el nmero de barras, dividiendo el ancho entre el espaciamiento: e = 2.2/0.10 = 22 espacios N de barras = 22-1 = 21 Ancho total de la reja = 22*0.10+21*(3/4*2.54/100) = 2.60 m Ventana: L= 2.60 * h=1.05 m Determinando la prdida de carga en las rejillas en= 0.10 m eg=0.119 m an= 22*0.1 = 2.2 m2 ag=22*0.1+21* 0.019= 2.60 m2 en/eg = 0.84 an/ ag = 0.846 Kt = 1.45 - 0.45 * 0.846 - 0.8462 Kt = 0.3536 Vn=1.602 * 0.84 = 1.346 m/s

0.019m

0.10m 0.10m

0.119m

sm /602.105.1*2.2

7.3

A

Q Ving

rejasdenobstrucciporacdeperdidahr

arg0327.081.9*2

346.1*3536.0

2

1 ventana de captación

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