DISEÑO DE BOCATOMA 1,- CARACTERÍSTICAS HDRÁULICAS PARA EL DISEÑO

Caudal de captación Q cap = 0.03 m3/seg

Caudal de máximas avenidas Q máx = 1.50 m3/seg

Pendiente promedio del río S = 0.20 m/m

Ancho del río b = 3.00 m

Coeficiente de Manning: n = 0.06

2,- ANÁLISIS HIDRÁULICO PARA MAXIMA AVENIDA

Datos:

Caudal máxima avenida Q máx = 1.50 m3/seg

Pendiente del río S = 0.20 %

Ancho del río b = 3.50 m

Coeficiente de Manning n = 0.06

Apartir de la fórmula de Manning: V=1/n*b^(2/3)*S^(1/2) y Q=V*A

Para una sección rectangular de máxima eficiencia se encuentra los datos siguientes:

Yn A Pm R Q

0.1675 0.59 3.84 0.15 1.25

0.1775 0.62 3.86 0.16 1.37

0.1875 0.66 3.88 0.17 1.50 =< 1.50 m3/s

Tirante Yn = 0.19 m

Area A = 0.66 m2

Perímetro mojado Pm = 3.88 m

Radio Hidraúlico R = 0.17 m

Velocidad V = 2.29 m3/seg

Número de Froude F = 1.24

3.- DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ESTRUCTURA DEL BARRAJE FIJO

3.1.- Altura de Carga en la Cresta del Barraje:

Q=C*L*Ho^(3/2) Donde: Q = Caudal máximo

C = Coeficiente de descarga

L = Longitud del río

Ho = Altura de sobre carga máxima sobre la cresta

Usando la fórmula de REHBOCK, se puede determinar el coeficiente de descarga asumiendo PyH

C´=(3,27+0,4*H/P)*0,55 y realizamos los siguientes aproximaciones:

P(m) Ho(m) C Q(m3/s)

0.50 0.308 1.934 1.16

0.50 0.313 1.936 1.19

0.50 0.318 1.938 1.22

0.50 0.323 1.940 1.25

0.50 0.328 1.942 1.28

0.51 0.333 1.944 1.31

0.51 0.338 1.945 1.34

0.51 0.343 1.947 1.37 Diseño:

0.51 0.348 1.949 1.40 P = 0.51 m

0.51 0.353 1.951 1.43 C = 1.955

0.51 0.358 1.953 1.46 H = 0.36 m

0.51 0.363 1.955 1.50

De los cálculos anteriores se conoce:

Yn = 0.19 m

P = 0.51 m

q = Q/L 0.43 m3/seg/m

V = 0.49 m/seg

Para distintos valores de "P" se tiene el siguiente cuadro:

P(m) V(m/s) hv(m) Ho=Ho-hv

1.480 0.23 0.003 0.36

1.401 0.24 0.003 0.36

1.322 0.26 0.003 0.36

1.243 0.27 0.004 0.36

1.164 0.28 0.004 0.36

1.085 0.30 0.005 0.36

1.006 0.31 0.005 0.36

0.927 0.33 0.006 0.36

0.848 0.35 0.006 0.36

0.769 0.38 0.007 0.36

0.690 0.41 0.008 0.36

0.611 0.44 0.010 0.35

0.532 0.48 0.012 0.35

De los resultados podemos concluir que cuando se incrementa el valor de "P", "Ho" también

aumenta y la velocidad disminuye, el cual genera mayor curva de remanso por consiguiente el costo también será mayor.

Para la condición más crítica(compuertas cerradas) se tiene:

Y max = P + Ho Y max = 0.87 m

4,- CALCULO DE LA LONGITUD DEL ALIVIADERO Y DE LA COMPUERTA DE LIMPIA

Se recomienda: Ac = Ab/10 Donde : Ac: Area de la compuerta

Lc = Lr/11 Ab: Area del aliviadero

e = Lc/4 Lr: Longitud del río (ancho)

Lc: Longitud de la compuerta móvil

e : Espesor del pilar.

Se tiene: Lr = 3.00 m

Lc = 0.30 m

e = 0.10 m 0.25 (recomendado)

La longitud fija del aliviadero: Lf = Lr-Lc-e => Lf = 2.600 m

Corrección de la longitud efectiva:

Le=Lf-2*(n*kp+ka)*Ho

Longitud fija de la cresta Lf= 2.60 m

Número de pilares n = 1.00

Coef. de contracción del pilar (forma del pilar) kp = 0.020

Coef. de contracción lateral por el muro (forma del estribo ka = 0.20

Carga de operación Ho = 0.36

Corrección de la longitud del aliviader Le = 2.44028 Lf= 2.45 m

Espesor del pilar e= 0.25 m

DISEÑO DEL BARRAJE DE ACUERDO A LAS LONGITUDES RECOMENDABLES

El caso más crítico se presenta cuando ocurre la máxima avenida y la compuerta de limpia

se encuentra cerrada, entonces el análisis se hará para los siguientes casos:

a) CUANDO LA COMPUERTA DE LIMPIA SE ENCUENTRA CERRADA

Se tiene los datos:

Qmax = 1.50 m3/seg

Le = 2.45 m

Fundamento: Ho = ?

Fórmula: Q=C*Le*K1*K2*K3*K4

El coeficiente de descarga "C" se hace por tanteos tomando las tablas de USBR:

1,- Tomando en cuenta la profundidad de llegada: P/Ho.....Co=

2,- Por efecto de cargas diferentes He/Ho=C/Co........K1

3,- Por efecto del paramento del talud aguas arriba K2

4,- Por efecto de interferencia del lavadero de aguas abajo (Hd+d)/Ho=(P+Ho)/Ho.......K3

5,- Efectos de sumergencia: Hd/Ho.........K4

Para el problema se hace una serie de tanteos, hasta aproximarnos al Qmax, variando valores de "Ho"

P(m) Ho(m) C Qmax

0.51 0.500 2.014 0.96

0.51 0.600 2.057 1.29

0.51 0.660 2.083 1.5 =< 1.50 m3/seg

Con el cual se calcula:

1,- Para: P/Ho = 0.774 Se tiene: Co = 2.083

2,- Para: Ho = He K1 = 1.00

3,-Para talud vertical aguas arriba: K2 = 1.00

4.- Para: (P+Ho)/Ho = 1.774 Del gráfico: K3 = 1.00

5,- Para: Hd/Ho = 1.00 Del gráfico: K4 = 1.00

Reemplazando valores: C = 2.083

El caudal será: Q=,55*C*Le*Ho^1,5 Q = 1.5 m3/s

b) CUANDO LA COMPUERTA DE LIMPIA SE ENCUENTRA ABIERTA:

Condición: Q max = Q aliviadero+Q limpia

PARA EL ALIVIADERO:

Se asume un Ho menor para cuando está cerrado: Ho= 0.500

Siguiendo el proceso anterior se calcula:

1,- Para: P/Ho = 1.022 C = 2.014

2.- K1 = 1.00

3,- K2 = 1.00

4,- (Hd+do)/Ho = 1.00 K3 = 1.00

5.- Hd/Ho = 1.00 K4 = 1.00

Q aliviadero = 0.96 m3/seg

PARA LA LIMPIA:

La carga será: Ho´=P+Ho

P= 0 Ho= 0.5

Entonces Ho´= 0.5

1,- P/Ho = Co = 3.09

2,- K1 = 1.00

3,- K2 = 1.00

4.- (Hd+d)/Ho = K3 = 1.00

5,- Hd/Ho = K4 = 1.00

Q limpia = 0.60 m3/s

Q max = 1.56 m3/s

RESUMEN:

La carga más crítica es cuando la compuerta de limpia esta cerrrada, luego la altura de los muros de encausamiento será:

H muro = P + Ho crítico + h lib

P = 0.51 m

Ho crítico = 0.66 m

h lib = 0.2 m

H muro = 1.4 m

5.- DISEÑO DEL COLCHÓN DISIPADOR

Datos de diseño:

Q max = 1.50 m3/seg H = 0.65 m

Ho = 0.66 m Yn = 0.19 m

P = 0.51 m Le = 2.45 m

Se sabe aguas arriba del aliviadero:

q=Q/L 0.61 m3/seg/m

Vo= 0.52 m/seg

hv= 0.014 m

H=Ho-hv 0.646 m

Aplicando ecuación de energía en los puntos (0) y (1):

Eo=E1; Z+P+Ho=Y1+V1^2/(2*g)+hf(0-1)

Aplicando el tirante conjugado entre (1) y (2):

Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*V1^2*Y1/g)^.5

Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*Q^2*Y1/(g*Y1*Le^2)^.5.......(b)

Además: Y2=Z+Yn luego: Z''=Y2-Yn........©

Z´´=-Y1/2-Yn+(Y1^2/4+2*Q^2/(g*Le^2*Y1))

La ecuac. (b) en © y tabulando valores hasta que Z´=Z'' 0.1 Coef. Coriolis

Y1(m) Z' Z´´

0.1100 0.674 0.592

0.1120 0.615 0.584

0.1133 0.579 0.579 Aprox.

El valor de Z recomendable como mìnimo 0,30m, se asume: Z = 0.45

Se tiene: V1 = q/Y1 5.40 m/seg

N° Froude = 5.12

Y2 = 0.77 m

Y1 = 0.11 m

(El número de Froude esta en el rango de 4.5<Fr<9, por tanto el resalto está bien balanceado

* De acuerdo a la tabla 6.12 de la Bureau of Reclamation se tiene: L1/Y2 = 6.10

Y2 = 0.77 m

Luego: L1 = 4.67 m

5.1.- CALCULO DE LA LONGITUD DE LA POSA

Existen varios métodos:

Datos: Y2 = 0.77 m

Y1 = 0.11 m

* Según VILLASEÑOR: 4.5*(Y2-Y1) < L < 7*(Y2-Y1)

L1 = 2.94 m

L2 = 4.57 m

L prom = 3.75 m

* Según SAFRANETZ: Lr = 4.5*Y2

Lr = 3.45 m

* Según PAVLOSKI: Lr = 2.5*(1.9*Y2-Y1)

Lr = 3.36 m

* Según BAKHMETEV-MAZTHE: Lr = 5*(Y2-Y1)

Lr = 3.26 m

Se tomará un valor, tomando como base de la Bureau of Reclamation:

L = 4.67 m

6.- DEFINICION DEL PERFIL DEL CREAGER

Se tiene los datos: Ho = 0.66 m

P = 0.51 m

H = 0.65 m

hv = 0.014 m

Fórmula: Y/Ho = - K*(X/Ho)^n X,Y : Coordenadas del perfil

Ho : Carga neta sobre la cresta

K,n : Parámetros

Tabla de la Bureau of Reclamation figs 6.13 y 6.14

Para: hv/Ho = 0.021 K = 0.51

n = 1.869

Z'=Y1+(1+a)/(2*g)*Q^2/(Le^2*Y1^2)-(P+Ho)......(a)

a =

Del mismo modo se tiene:

R1 = 0.511*Ho R1 = 0.337 m

R2 = 0.213*Ho R2 = 0.141 m

Yc = 0.111*Ho Yc = 0.073 m

Xc = 0.269*Ho Xc = 0.178 m

De la ecuación se tiene: Y = - 0.504*Ho(X/Ho)^1.858

Tabulación:

X Y X Y X Y

0.02 0.00 0.52 -0.22 1.02 -0.76

0.07 -0.01 0.57 -0.26 1.07 -0.83

0.12 -0.01 0.62 -0.30 1.12 -0.90

0.17 -0.03 0.67 -0.35 1.17 -0.98

0.22 -0.04 0.72 -0.40 1.27 -1.14

0.27 -0.06 0.77 -0.45 1.32 -1.23

0.32 -0.09 0.82 -0.51 1.37 -1.32

0.37 -0.11 0.87 -0.56 1.42 -1.41

0.42 -0.15 0.92 -0.63 1.47 -1.50

0.47 -0.18 0.97 -0.69 1.52 -1.60

GEOMETRIA DEL BARRAJE

El espesor: esta debe ser suficiente para resistir el impacto del agua en su máxima ocurrencia.

Donde e>0.30m

Según TARBIMOVICH: t = 0.2*q^0.5*h^0.25

donde: h = P+Ho-Yn-Z h = 0.53 m

t = 0.13 m

Este valor de "t" por seguridad debe multiplicarse por un factor que puede tomarse entre: e = (1.1 a 1.35 )*t

y se tomara 20% factor de seguridad.

tenemos: e = 0.20 m Asumimos e= 0.35 m

DENTELLONES:

Se recomienda: Y1 = (1,0 a 1,5)*h

Y2 = 0,30*h ( pero nunca menor de 1,0 m.)

Se tiene: Y1 = 0.72 m

Y2 = 0.16 m

Se toma: Y1 = 0.80 m

Y2 = 0.200 m Optamos Y2 = 1.00 m.

7.- DISEÑO DEL ESPESOR DEL SOLADO

CONTROL DE FILTRACION:

Segùn LANE:

4.70 m

5.56 m

Lf = 6.55 m

Según BLIGH : Lf = C*H Lf : Longitud de recorrido de la filtración

H : Carga hidràulica efectiva, que produce filtraciòn e igual a la diferencia

del hidrostático entre aguas arriba y aguas abajo de la cortina

C : Coeficiente que relaciona la carga compensada

Para: C = 3.50 Grava media

H = 0.72

Lf ´ = 2.52

Comparación: Lf > Lf '

Lf = 6.55 m

Lf ´ = 2.52 m

Como Lf > Lf ', entonces las dimensiones son adecuadas por efectos de percolación.

El valor de la supresión se estima por: Sx = b * c' * (Yx-Lx/L*H)*Wa

Donde: b : ancho de la sección normal

c ' : factor de supresión que depende de la porosidad del material, asumimos c ' = 0.50

Sx : supresión a una distancia X (kg/cm2)

Yx : carga hidrostática en el punto X=H+H'

Lx : longitud compensada hasta el punto X(m)

Wa : peso volumétrico del agua

Lf = 1/3*S Lh+S Lv

S Lv =

S Lh =

H ' : desnivel entre el agua debajo de la cortina y el punto que se está estudiando

Cálculo para diferentes puntos:

H = 1.06 m

Hx=1.50+H'

Lx=1/3*Lhx+Lvx

H/L= ?

Supresión en los puntos críticos: Sx=1*.5*(5.689+H'-H/L*Lx)*1000

Puntos: Sx H H/L Lx

B = 1,463.13 1.65 0.179 1.25

C = 1,416.88 1.65 0.179 1.77

D = 886.33 0.75 0.179 2.67

E = 838.26 0.75 0.190 3.02

F = 767.23 0.75 0.138 5.19

G = 1,390.26 1.45 0.034 4.99

H = 1,388.27 1.45 0.034 5.10

I = - 0.00 - -

La supresión crítica que puede causar una falla se presenta en el tramo "Y1" y "Y2", que equivale a los puntos E y F.

ESPESOR DEL SOLADO:

Fórmula: e = 4/3*((Sx-Yi*Wa)/Wm)

Donde: Wm : peso volumétrico del concreto

Yi : tirante de agua en la sección considerada

Para la zona Y1y Y2 :

Y1 = 0.11 Y2 = 0.77

Wa = 1000 Wa = 1000

Wm = 2400 Wm = 2400

Sx = 838.26 Sx = 767.23

e = 0.40 m e = 0.0007 m

Asumimos e=0.40 m. e = 0.30 m , e>=0.30

8.- DISEÑO DEL ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA:

Se diseña para contrarestar la erosión al pie del colchon disipador:

Según BLING: Lt = 0.64*C*(Dd*q)^0.5 - Lc

Donde: Lt : longitud total de la escollera

C : coeficiente de Bling

Dd : altura comprendido entre la cota de la cresta y la cota estrema aguas abajo.

q : caudal por metro lineal

Lc = 0.60*C*d d = Db-Yn

q = 0.61

Dd = 0.51

Yn = 0.19

C = 6.00 (arena-grava mezclados y arcilla)

d = 0.32

Lc = 1.17

Lt = 1.00 m

09.- DISEÑO DE LA VENTANA DE CAPTACION

09.1.- VENTANA DE CAPTACION.

Datos: Q cap = 0.045 m3/seg

Y max = 0.19 m

Ho = 1.17 m

Umbral = 0.60 m

Fórmula: Q = Cd*A*(2*g*h)^0.5 donde: Q : Caudal de captación

Cd : Coeficiente de descarga

A : Area del orificio

g : Aceleración de la gravedad

h : Carga sobre el orificio

H = (P+H0)-Y1

El caudal de derivación es igual al caudal de diseño más un factor de 5-15% por pérdidas:

Qd = 1.1*Q cap Qd = 0.05 m3/seg

Además: Cd = Cv*Cc h = Ho - alt.vent - a/2

Luego iterando se tiene:

Cv = 0.99 Cc = 0.607

Cálculo para Máxima Avenida: Se diseña con:

Cd = 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60

Asumir L (m) = 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 Longitud ventana

Asumir a (m) = 0.065 0.07 0.075 0.08 0.09 Altura ventana

A (m2) = 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 Area neta

h (m) = 0.54 0.54 0.53 0.53 0.53

Q (m3/seg) = 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 >=0.05 m3/s

Cv= 0.99 Cc= 0.607

Cálculo para condición crítica, nivel de agua a 0.20m sobre la ventana de captación:

Cd = 0.601 0.601 0.601 0.601 0.601

Asumir L (m) = 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 Longitud ventana

Asumir a (m) = 0.13 0.135 0.14 0.145 0.15 Altura ventana

A (m2) = 0.06 0.05 0.05 0.04 0.04 Area neta

h (m) = 0.27 0.27 0.27 0.27 0.28

Q (m3/seg) = 0.08 0.07 0.07 0.06 0.05 >= 0.05 m3/s

Se toma los valores siguientes: Altura ventana captación 0.15 m

Ancho ventana captación 0.25 m

Area neta vent. Capt. 0.04 m2

DISEÑO DE DESARENADOR1.1.- CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CAIDA

Datos:

Ø = 0.1 cm Diámetro de la partícula

1020 kg/m3 Peso específico de la partícula (Gravilla con arena y arcilla)

1000 kg/m3 Peso específico del agua

u = 114.1 cm2/seg viscosidad cinemática del agua

T = 16 °C temperatura del medio ambiente

1.2.- DISEÑO DEL CANAL DE INGRESO

Se diseñará para la condición de máxima eficiencia hidráulica (sección rectangular):

Caudal de diseño: 0.05 m3/s

Por Manning:

Q*n/S^.5=A*R(2/3)

S= 0.07 P(m)= 0.4

Datos: n= 0.015 R(m)= 0.05

Yn(m)= 0.1 Q(m3/s)= 0.048

b(m)= 0.2 V(m/s)= 2.4

A(m2)= 0.02 N° Froude= 0.023 sub crítico

Luego tenemos:

Tirante aguas arriba Y1(m)= 0.1

Espejo de agua B(m)= 0.2

1.3.- CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO

1 mm a= 36 V(cm/s)= 44

1-0.2 mm a= 44

0.1 mm a= 51

1.4.- CALCULO DEL EMPUJE ASCENCIONAL DINAMICO

1.4.1: LONGITUD DE TRANSICION DE ENTRADA:

Lt=(b1-b2)/(2*tag22.5°)

b1= Ancho asumido del desarenador 0.7

b2= Ancho del canal de aproximación 0.2

Lte= Longitud de la transición de entrada 0.604 0.6 m

Pendiente asumida (5% a 15%) S= 0.05

Desnivel para Lt= 0.03

Altura "h" para diseño: h=ah+Yn 0.13

Se puede verificar con el criterio para calcula "h" con: 1.20*Yn<h<1.50*Yn

En nuestro caso: h=1.35*Yn h(m)= 0.135

Se tomará h(m)= 0.13

1.4.2. DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DESARENADOR:

Longitud del desarenador :

Ld = Vh/(w-w')

Ld = KVh/w , K= 1.5 Factor de Seguridad por Turbulencia

Ld = Según Levin-Velikanov

V= 0.44 m/seg →

h= 1.5 @ 4 m. → h= 1.20Y → h = 0.12 m.

Para Ø = 0.5 mm. → w = 0.04 m/s (tabla)

tabla : Ø min. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7

g s =

g =

Según CAMP: V=a*f^.5

Para f>

Para f

Para f<

(λ2V2(√h-0.2)2)/(7.51w2)

w m/s 0.013 0.025 0.04 0.055 0.065 0.087

Corrección por turbulencia :

w' = 0.04 V → w' = 0.0176 m/s

w' = → w' = 0.1677 m/s Escogemos el menor valor W' = 0.0176 m/s

w' = V/(5.7+2.3h) → w' = 0.0736 m/s

Ld1= Vh/ (w-w') → Ld1= 2.357 m

Ld2= KVh/w → Ld2= 1.980 m

Ld3= ,de la tabla λ = 0.90 90 % W , para estructura de desarenador

0.036

→ Ld3= 0.345 m

Escogemos el mayor valor Ld = 1.980 m.

Valor redondeado ,Ld = 2 m.

Ancho del desarenador :

B= Qd/(Vh) → B = 0.947 m

→ B = 1.000 m

1.4.3. OTROS PARAMETROS :

Tiempo de sedimentación:

T=h/W T(seg)= 3.25

Volumen de agua que es conducido:

Vol = Q*T Vol(m3/s)= 0.1625

Gasto sólido Qs (concentración de solidos en suspensión) Qs(kg/m3)= 2

Caudal de limpia Ql = 10%Qd Ql(m3/s)= 0.005

Qs''(kg/s)= 0.00001 Vol. de sedimentación

Vol. de sedimentos acumulados por día: Vol.sed =Q''s*24 horas , Vsed-acum.(m3)= 0.847

Altura de sedimentos, hs =Vol.sed/(((B+b)/2)*Lte+Ld*B) hs(m)= 0.359

1.4.4. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA O PURGA :

b = ancho de la compuerta de limpia

0.30

0.003

→ b = 0.06 Asumimos b= 0.3x0.3 m.

(0.132V/√h)

(λ2V2(√h-0.2)2)/(7.51w*2) , W* =

, W* =

Qs'' =Qs*Ql/gs

Caudal de limpia Ql = 10%Qd = 0.6b2*√(2*g*H0)

H0= h+hs/2 H0=

b2= Ql/(0.6*√(2*g*H0) b2=