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CRITERIOS DE DISEÑO OBRAS DE RIEGO
EXPOSICIÓN Y SESIÓN PARTICIPATIVA CONSULTORES Y REVISORES CNR
Noviembre, 2014
www.cnr.gob.cl
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OBJETIVO Y ESTRUCTURA DEL TALLER
Objetivo: Realizar una actividad de acercamiento entre revisores y
consultores, que permita orientar tanto la presentación como la revisión de
proyectos bajo algunos criterios de diseño relacionados con obras de riego
que han sido seleccionados específicamente para las obras de la ley
18.450.
Estructura:
1a Parte: Sesión expositiva a cargo de un relator externo.
2a Parte: Sesión participativa orientada a la recopilación y revisión de
situaciones particulares de acuerdo a la experiencia de los consultores y
revisores.
Para facilitar el desarrollo de la actividad, se agradece a los participantes
tomar nota de las consultas a realizar, las que serán atendidas solamente en
la 2da parte del taller.
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CONTENIDO
TALLER 16.11 ASPECTOS HIDRÁULICOS
Parte 1 Obras de conducción
Determinación del caudal de diseño
Canales y entubamientos: Criterios de diseño y cálculo del eje hidráulico
Pausa - Café
Parte 2 Obras de arte
Criterios generales
Elección del periodo de retorno de diseño: Canoas, sifones, bocatomas, embalses
Elementos de diseño de bocatomas y sifones
Parte 3 Embalses
Revancha y Altura del muro
Diseño de la Obra de excedencia
Disipadores y protecciones
Almuerzo
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LOS ASPECTOS ESTRUCTURALES Y GEOTÉCNICOS SERÁN
ABORDADOS EN EL TALLER DEL DÍA 30.11 “ASPECTOS
ESTRUCTURALES Y GEOTÉCNICOS”
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DOCUMENTOS TÉCNICOS DE REFERENCIA
Específicos:
-Especificaciones técnicas para protectos de Canales – Dirección de Riego 1960
-Instructivos de Obras Civiles CNR. Versión 2016
-Manual de Obras menores de riego CNR-Ciren 1996
-Reglamento DGA Artículo 294 del código de Aguas
Complementarios:
-Manual de carreteras MOP
-Hidráulica aplicada al diseño de obras – H. Mery
-Base de datos de la SOCHID
Algunos artículos destacados:-1973 - CRITERIOS GENERALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE EMBALSES DE RIEGO.
-1973 - ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DE CAÍDAS DE SECCIÓN TRAPECIAL EN CANALES NO REVESTIDOS
-1977 - USO DE ECUACIONES RACIONALES EN EL CÁLCULO DE LA PÉRDIDA FRICCIONAL EN CANALES REVESTIDOS
-1985 - EJES HIDRÁULICOS EN CANALES NO-PRISMÁTICOS CON ENSANCHES Y ANGONSTAMIENTOS PAULATINOS
-1983 - SOCAVACIÓN AGUAS ABAJO DE OBRAS DE EVACUACIÓN
-1985 - ANÁLISIS DE CANALES DE SECCIONES Y PENDIENTES VARIABLES
-1991/1993 ESTUDIO DE REVESTIMIENTOS ASFÁLTICOS EN PEQUEÑOS CANALES DE REGADÍO
-1991 CONSIDERACIONES SOBRE LA CAPACIDAD DE DISEÑO DE CANALES DE RIEGO. APLICACIÓN AL SISTEMA PALOMA
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PARTE 1 – OBRAS DE CONDUCCIÓN
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OBRAS DE CONDUCCIÓN
Corresponden a la base de todo proyecto de riego.
Pueden diferenciarse en:
-Conducciones en superficie libre-> Más comunes en proyectos de riego.
-Conducciones en presión-> Sifones
Dentro de las conducciones en superficie libre, además, pueden diferenciarse:
Conducciones tipo canal abierto
Conducciones abovedadas (Tuberías, Canoas, túneles)
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CANALES - CRITERIOS GENERALES
CAUDAL DE DISEÑO:
Para obtener el caudal de diseño, debe tenerse en consideración la superficie regada, los derechos
de agua del canal, la disponibilidad hidrológica, entre otros.
En los instructivos de la CNR está detallado el procedimiento para el cálculo del caudal de diseño de
canales.
En general, se considera:
-Q con 50% de probabilidad de excedencia, cuando existe estadística de aforos.
-Q máximo histórico del canal
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CRITERIOS GENERALES
Trazados nuevos: Cada proyecto debe cumplir ciertas condiciones que dependen de la
geomorfología del sitio, las características del terreno, aspectos ambientales, propietarios de los
terrenos, accidentes geográficos, riesgos geológicos, etc. Su definición integra la participación de
diversas especialidades de la ingeniería.
Importante: Se debe prever elementos de protección (rejas, bermas) y en caso
de cruzar zonas pobladas: abovedamientos/entubamientos.
Canal Huampaní, Chosica, Lima (Perú)Canal Laja Diguillín
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CRITERIOS GENERALES
Para evitar sobreelevaciones: Se preferirán los trazados rectos y con la menor cantidad de cambios de sección
(pérdidas de carga). Las curvas deben respetar el criterio de Shuckry en que
Rc > 3 l donde Rc: Radio de curvatura, l: Ancho superficial.
Al materializar curvas muy cerradas, se producirán peraltes y sobreelevaciones del pelo de agua que disminuirán la
revancha disponible en régimen permanente.
En ciertos proyectos será necesario proyectar obras especiales como sifones y canoas que permitan que el canal
cruce por quebradas, ríos, depresiones, etc. Estas obras deberán ser de la menor longitud posible pues son de
elevado costo relativo.
Canoa CH Lircay y Puente Canoa Biobio Negrete
Puente
Canoa
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS GENERALES
Importante: Trazados existentes. Uno de los casos más comunes de los proyectos contempla el mejoramiento
total o parcial de canales existentes. En estas situaciones, no siempre es posible seguir las recomendaciones y
prácticas de diseño recomendados, especialmente debido a la presencia de obras de arte que imponen restricciones
al tipo de escurrimiento y pendientes.
A lo largo de la exposición se irán complementado los criterios indicando recomendaciones
específicas relacionadas con los proyectos de mejoramiento.
Algunas soluciones relacionadas con estos casos son:
-Sobreelevaciones y peraltes
-Entubamientos
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Canal Roblería
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CRITERIOS ESPECÍFICOS
RUGOSIDAD: Representa la fricción del agua con las paredes del canal. En términos prácticos, se utilizara para
calcular la capacidad de porteo y dimensionar
Sin revestir
En mal
estado
En buen
estado
Revestido
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CRITERIOS ESPECÍFICOS – RUGOSIDAD – FÓRMULA DE MANNING
La fórmula de Manning es la expresión empírica más utilizada para el dimensionamiento de canales. Existen numerosas
referencias que permiten obtener el coeficiente base a utilizar según el tipo de revestimiento.
Descripción Mínimo Medio Máximo
Canal recto.
Limpio y terminado recientemente. 0,016 0,018 0,020
Limpio con uso. 0,018 0,022 0,025
Con grava, sección uniforme y limpio. 0,022 0,025 0,030
Con musgos cortos y pocas malezas. 0,022 0,027 0,033
Canal con curvas.
Sin vegetación 0,023 0,025 0,030
Con musgos y pastos. 0,025 0,030 0,033
Con pastos densos, malezas en canales profundos. 0,030 0,035 0,040
Fondo de tierra y taludes de mampostería de piedra
partida.
0,028 0,030 0,035
Fondo pedregoso y taludes con pastos. 0,025 0,035 0,040
Fondo de piedras rodadas y taludes limpios. 0,030 0,040 0,050
Canales excavados con pala.
Sin vegetación. 0,025 0,028 0,033
Pocos arbustos en los taludes 0,035 0,050 0,060
Canales excavados en roca.
Roca lisa y uniforme. 0,025 0,035 0,040
Roca cortada irregularmente. 0,035 0,040 0,050
Canales sin ningún mantenimiento.
Pastos densos de la altura del escurrimiento 0,050 0,080 0,120
Fondo limpio y taludes con arbustos. 0,040 0,050 0,080
Arbustos densos y nivel alto. 0,080 0,100 0,140
Coeficientes de
rugosidad de Manning
en canales de tierra.
(Según Chow).
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Descripción Mínimo Medio Máximo
Superficie metálica.
Superficie de acero lisa sin pintar. 0,011 0,012 0,014
Superficie de acero pintada. 0,012 0,013 0,017
Superficie corrugada. 0,021 0,025 0,030
Canal de superficie no metálica.
Cemento.
Superficie muy limpia. 0,010 0,011 0,013
Mortero. 0,011 0,013 0,015
Madera.
Cepillada sin tratar. 0,010 0,012 0,014
Cepillada tratada con creosota. 0,011 0,012 0,015
Sin cepillar. 0,011 0,013 0,015
Planchas con listones. 0,012 0,015 0,018
Revestida con papel impermeable. 0,010 0,014 0,017
Superficie de hormigón.
Terminada con llana. 0,011 0,013 0,015
Terminada con lechada. 0,013 0,015 0,016
Con grava en el fondo. 0,015 0,017 0,020
Sin terminar. 0,014 0,017 0,020
Con shotcrete liso. 0,016 0,019 0,023
Con shotcrete ondulado. 0,018 0,022 0,025
Sobre roca excavada pareja. 0,017 0,020 -
Sobre roca excavada irregular. 0,022 0,027 -
CRITERIOS ESPECÍFICOS – RUGOSIDAD EN CANALES REVESTIDOS
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Importante: Los valores usualmente tabulados de los coeficientes obedecen a la naturaleza empírica de
la fórmula, por lo tanto han sido determinados en laboratorios o prototipos en condiciones particulares,
pero lo más importante: en tramos rectos y con un estado del revestimiento en condiciones óptimas (en
general)
Por esto, no permite al proyectista sensibilizar el cálculo ya sea en función del trazado particular del canal, el estado actual
y previsto del revestimiento, la calidad de las terminaciones del revestimiento, la presencia de obstáculos o depositación, etc.
En consecuencia, la rugosidad de un canal “real” (en condiciones usuales de operación y mantenimiento futuro) será
diferente a la rugosidad tabulada en la mayoría de los casos.
Para incorporar esta limitación al diseño, se recomienda considerar para el hormigón una rugosidad n=0,016 como valor
mínimo para efectos de dimensionar el canal.
Mismo procedimiento debe seguirse para otro tipo de revestimiento. (Existen en la literatura especializada herramientas para
cuantificar el aumento de la rugosidad en función de la curvatura del canal, de la aspereza absoluta actual o prevista, etc,
además de diversas formulaciones para calcular el coeficiente de Manning a partir de la aspereza absoluta. (ej. Darcy)
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Scobey, a principios del siglo XX, realizó una serie de experimentos en diferentes canales de riego
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Respecto del coeficiente de Manning, el autor indica:
- El coeficiente de Manning varía a lo largo del canal y de la estación/época (Puede disminuir hasta un 75% a fines delverano por el crecimiento de algas/musgo).
- Por ejemplo, un canal de hormigón que el autor investigó en Yakima, Washington fue diseñado con n=0,012. A fines delverano, el canal había agotado su capacidad. El autor concluyó que para las condiciones reales de operación del canal,debería haber sido dimensionado con n=0,017 para contemplar el crecimiento de vegatación hacia mediados del veranoy otros factores. Las velocidades altas que se habrían obtenido al disponer del canal limpio no habrían dañado elrevestimiento.
En consecuencia, el valor de “n” adoptado para el diseño debe considerar todas las influencias posibles que puedan retardarel escurrimiento:
Influencias primarias-Fricción y vegetación
Influencias secundarias:-Angulos y curvas cerradas-Depositación de arenas y gravas-Viento
Concluye:
- El valor que se adopte para el diseño, debe considerar la situación más crítica previsible de la temporada(Variabilidad de caudal a lo largo de la temporada y crecimiento de musgo)
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
Otras experiencias
Nota: Esta tabla considera canales y túneles de centrales de generación, cuyas condiciones de operación y
mantenimiento pueden variar respecto de canales de riego.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Mejoramiento de canal existente mediante
Revestimiento de hormigón con
moldaje metálico
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Construcción de canal con hormigón
proyectado alisado con platacho
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Obra de arte en mampostería de piedra
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Fotografía – Revestimiento con geomembrana
Fotografía – Revestimiento mixto. Radier de
hormigón y taludes en mampostería de piedra
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012,0n
Presentan una baja vida útil (3 a 5 años)
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
Cálculo de la rugosidad compuesta
La formulación de Horton y Einstein, supone que la velocidad media de cada parte
del área es igual a la de la sección completa. El coeficiente de rugosidad equivalente es:
n
3/22/3
j
jj
P
Pn (31)
La relación (31) considera que el perímetro mojado de la sección se divide en “ j ”
trazos, siendo "" jn la rugosidad del trazo “ j ”y “ jP ” la longitud del trazo.
El US Army Engineer District Los Angeles, California, propone la siguiente simple
relación para la rugosidad compuesta equivalente:
n
j
jj
A
An (32)
La sección de escurrimiento se divide en “ j ” sub-secciones. A cada área “ jA ”, se
le atribuye un coeficiente de rugosidad “ jn ”. Para sub-dividir el área total se utilizan las
bisectrices que delimitan la influencia de la rugosidad de las paredes.
Pondera en
mayor cantidad
las paredes
Pondera en
mayor cantidad
el fondo
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
En canales muy sinuosos puede ser necesario aumentar el
coeficiente de rugosidad para considerar las pérdidas incluidas
con las friccionales.
Scobey: aumentar el coeficiente de rugosidad de Manning en un
0,001 por cada 20° de curva (ángulo del centro) en 30 [m] de
canal, hasta un máximo de 0,003.
Importante: Trazados existentes.
24Fotografía – Tiger Creek Flume CA
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CRITERIOS ESPECÍFICOS
VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas
En términos generales, se recomiendan las siguientes velocidades máximas:
-Hormigón armado 3,0 m/s
-Hormigón corriente 2,5 m/s
-Albañilería de piedra 1,5 m/s
-Suelo cemento: No deben permitirse velocidades
mayores que las admisibles que las del suelo del canal
no revestido.
-Hormigón asfáltico: 1,5 m/s
Revestidos Sin revestir
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CRITERIO DE LA EX DIRECCIÓN DE RIEGO 1960
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas – Aguas con alta carga de sedimentos
Importante: La pendiente de fondo está asociada a las
velocidades. Por lo tanto, la capacidad erosiva para caudales
pequeños puede ser tan importante como para caudales
grandes, debido a al distribución de velocidades en la
sección.
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Fotografía – Erosión en el revestimiento.
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
En aguas con carga de sedimentos, la velocidad máxima no debería superar los 2,5 m/s.
En aguas limpias:
Tubos de hormigón armado v<3,0 m/s
PRFV v<4,0 m/s
Acero v<5,0 m/s
En ningún caso se debe superar las velocidades indicadas por el fabricante.
CRITERIOS ESPECÍFICOS
VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas – Entubamientos
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
VELOCIDADES ADMISIBLES: Mínimas permisibles
Evitar sedimentación y crecimiento de algas
En general v 0,60 a 0,90 m/s (porcentaje de sedimentos pequeño), y una velocidad media no
inferior a 0,76 m/s prevendrá el crecimiento de vegetación que disminuirá seriamente la capacidad
de transporte del canal.
Según Mery:
Cita las experiencias de R. Kennedy quiendeterminó un modelo experimental para esta velocidad:Según F.J. Domínguez beta valdría:
h: Altura del escurrimiento (m)0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 1 2 3 4 5 6
v ad
m (
m/s
)
h (m)
V mínima admisible
β=0.53 β=0.58 β=0.64 β=0.70
β Tipo de sedimento en suspensión
0,53 Légamo muy fino
0,58 Arena muy fina
0,64 Barro arenoso
0,70 Légamo grueso
minv 64,0h
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En canales con trazados existentes:
-En caso de que el crecimiento de vegetación sea un problema existente, se puede considerar lo siguiente:
En general, al revestir se obtiene un aumento de las velocidades.
En canales rectangulares y trapeciales, a menor ancho basal la velocidad media es mayor.
Se puede contemplar aumentar la pendiente de fondo en tramos críticos. En términos generales, un
canal con una pendiente de 1/1.000 presentará una velocidad mínima adecuada para evitar el
crecimiento de vegetación. Además, al aumentar la velocidad, se disminuye la superficie necesaria de
revestimiento.
Ojo: Se debe tener precaución en flujos subcríticos con el empalme energético. No necesariamente
debe empalmarse fondo con fondo.
Importante: Trazados existentes.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Fotografía – Crecimiento de vegetación en el fondo del canal
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CRITERIOS ESPECÍFICOS
ESTABILIDAD DEL FLUJO (ondulaciones)
La DGA exige normalmente un flujo estable en el cual la relación Ecanal/Ecrítica sea mayor que 1,1. Coincide con las ET
de la ex dirección de riego.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
En canales con trazados existentes:
-En caso de que la relación ideal Bc/Bn>1,1 no se pueda cumplir (principalmente por la pendiente del canal)
-Se recomienda analizar en detalle el eje hidráulico, para diferentes condiciones de operación. La utilización de un rango
de valores para el coeficiente de rugosidad permitirá identificar valores cercanos a la crisis o incluso supercríticos.
-Se recomienda cuantificar las ondulaciones de la superficie libre en función del número de Froude, y adicionarlo al nivel de
la superficie libre. Sobre el valor obtenido (altura de agua + ondulaciones) se debe entonces calcular la revancha.
-El entubamiento puede ser una solución. De todas maneras, se recomienda realizar un análisis similar para incorporar las
ondulaciones.
Importante: Trazados existentes
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
REVANCHA
Resguardo, borde libre o revancha: Existen diversos motivos por los cuales se puede presentar un nivel
extraordinariamente mayor al determinado en el diseño.
Entre ellos se puede destacar:
Diferencias entre la rugosidad de diseño y la rugosidad construida. Deterioro del revestimiento con los años
Mala operación de las compuertas de ingreso al canal
Incorporación de agua no prevista a lo largo del trazado
Obstrucciones parciales de la conducción, por ejemplo, caídas de elementos
Presencia de ondas
Peralte en curvas
Alteración del nivel debido a sismos.
Efecto del viento
Basura
Esta diversidad de causas también origina que no exista una receta o consenso único al momento de
definir la revancha mínima que se considerará en un proyecto.
Sin embargo, se pueden establecer algunas
Recomendaciones y criterios.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
REVANCHA MÍNIMA
-Debe calcularse respecto del nivel de aguas máximo esperable. En ocasiones, dicho nivel puede
depender en mayor medida de la condición de borde que del mismo caudal. Por lo tanto, es recomendable analizar
en detalle las diferentes condiciones hidráulicas que se puedan presentar: porteo, regímenes hidráulicos, operación
de compuertas, etc.
-Para canales pequeños (Q<2,0 m3/s), como revancha mínima se adoptará el 15% de la altura
máxima de agua, con un mínimo de 20 cm y un máximo de 50 cm. (Criterio de la ex dirección de
riego)
-Para canales mayores (Q≥2,0 m3/s), como revancha mínima se adoptará el 20-30% de la altura
máxima de agua, con un mínimo de 30 cm y un máximo de 50 cm (Instructivo CNR)
-La desventaja de las expresiones anteriores radica en que no toma en consideración directa la
velocidad del escurrimiento, por lo tanto canales angostos pero en régimen tranquilo podrían
quedar con revanchas excesivas, o bien, canales anchos pero con velocidades altas con
revanchas insuficientes.
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Ex dirección de riego:
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
REVANCHA MÍNIMA
-Existen expresiones que incorporan la altura de velocidad, por ejemplo (JYO):
-Scobey (Solo como referencia):
g
vR n
res2
30,02
. [m] (44)
En canales menores en régimen subcrítico, el valor fijo de la ec. (44) puede
reducirse a 0,15 [m]. En esa ecuación nv velocidad media normal en el canal.
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1 altura de velocidad + 0,25 pies con
un máximo de 2 pies.
Scobey JYO JYO
r (m) r(m) r(m)
0.80 0.11 0.18 0.33
1.00 0.13 0.20 0.35
1.20 0.15 0.22 0.37
1.50 0.19 0.26 0.41
2.00 0.28 0.35 0.50
2.50 0.40 0.47 0.62
3.00 0.54 0.61 0.76
v (m/s)
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Además, todas las formulaciones anteriores, ya sea las basadas en un % de la altura o las formuladas según v2/2g
serían consistentes con lo exigido por la DGA en el reglamento del art. 294:
“La revancha a considerar en acueductos se debe determinar con expresiones debidamente
justificadas y ampliamente utilizadas en la práctica”
Se recomienda respetar los valores mínimos aquí indicados (20 cm y 30 cm), y considerar las características del
flujo al definir la revancha.
Recordar que debe calcularse respecto del nivel máximo de aguas esperable, es decir, ninguna situación
operacional debería restar revancha al canal en ningún tramo.
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
REVANCHA MÍNIMA
-Se permitirá, además, el uso de las recomendaciones del USBR para aquellos canales que
consideren la sección de máxima eficiencia hidráulica.
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REVANCHA FLUJO SUPERCRÍTICO
En la expresión anterior, R (m), v (m/s) y h (m)
Nota: En flujos supercríticos, además es necesario considerar:
-Forma de las transiciones (Existencia de ondas cruzadas)
-Curvaturas verticales (Presiones positivas y despegue de la napa)
-Infiltraciones
-Altas velocidades y cavitación (v>18 m/s)
-Ondas rodantes
3037,060,0 hvR
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
La revancha en estos casos se relaciona con el área del tubo.
Para una sección abovedada, el máximo porteo se logra cuando h≈90% del diámetro.
En general, se recomienda que para el caudal de diseño, se limite la altura hasta un 70% del diámetro del tubo,
obteniéndose una revancha disponible entre el 70% y el 90%. Nunca debe utilizarse el 10% restante, de lo contrario el
flujo entrará en presión lo que significa mayores pérdidas de carga, en general (J a boca llena > J libre)
Qdiseño
0,7D
Revancha
0,7D-0,9D
Disminuición del porteo
Qdiseño
Qmax
Q/Q0
1
CRITERIOS ESPECÍFICOS
REVANCHA MÍNIMA - ENTUBAMIENTOS
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Como se comentó, en casos en que el radio de curvatura del canal es muy cerrado, ya sea por
corresponder a un trazado existente, o por limitaciones particulares (terreno rocoso), se debe tomar en
consideración la sobreelevación por efecto de la fuerza centrífuga que puede ser considerable.
El cálculo se realiza considerando las recomendaciones del USACE
cRg
lvCh
2h sobre-elevación del nivel en el paramento exterior de la curva y el nivel en el
eje del canal.
l ancho medio de la superficie libre.
cR radio de la curva medido según el eje del canal.
C constante
CRITERIOS ESPECÍFICOS - PERALTE EN LAS CURVAS
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO DE UN CANAL
Importante: Si el canal se diseña con altura normal, debe procurarse que la condición de borde por aguas
abajo del tramo en cuestión, sea consistente con dicha condición, dentro de cierto margen de precisión. De
lo contrario, se presentarán condiciones hidráulicas diferentes:
Este tipo de perfil o eje hidráulico, puede presentarse
en cualquier tramo en que el canal se vea obstruido,
inclusive en el ingreso de una obra de arte con una
transición mal diseñada.
Posible consecuencia: desborde, pérdida de
revancha.
Este tipo de perfil o eje hidráulico, puede presentarse,
por ejemplo, al proyectar una caída sin una grada de
control apropiada
Posible consecuencia: Aceleración e Inestabilidad del
flujo, erosión en tramos sin revestir o daños al
revestimiento.
El problema radica en que la altura normal no es fácil de conseguir
en la realidad, especialmente si la condición de borde adecuada no está
físicamente asegurada o materializada. Esto es de especial relevancia
en canales con pendientes suaves, en que la línea de energía requiere
longitudes importantes para equilibrarse con la pendiente de fondo.
J<i
J>i
42
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO DE UN CANAL
Identificar las zonas mas susceptibles de generar alteraciones del flujo. Si el diseño está basado en altura normal
asegurar que se comporte como tal a lo largo de todo el trazado.
Métodos:
Mediante planilla de cálculo: Recomendado para canales prismáticos con cambios de sección puntuales. Permite
manejar de mejor manera las singularidades y empalmes con elementos existentes y llevar el control en cada paso del
cálculo. Existen diversos métodos para calcularlo (Ver, p.ej., V.T. Chow) y los parámetros geométricos de la mayoría
de los tipos de sección se encuentran ampliamente parametrizados: Rectangular, triangular, trapecial, circular,
abovedado, herradura, etc.
Mediante software (Ejemplo HEC-RAS) – Recomendado solo para canales sin revestir, con secciones variables (no
prismáticos) en los cuales el cálculo mediante planilla es complejo. Es un software pensado para análisis de ríos.
Importante: No se recomienda emplear como condición de borde un nivel por aguas abajo, debido a
la incertidumbre acerca del caudal al que puede corresponder, con excepción que se disponga de una
curva de descarga confiable.
43
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO, CANAL O CAUCE NATURAL/ARTIFICIAL
En ambos casos, se debe presentar en forma clara y lo más detallada posible:
-Condiciones de borde consideradas. En casos de existir tramos que puedan calcularse por separado, se deberán
indicar las múltiples condiciones de borde posibles.
-Tabla de resultados, que contendrá como mínimo el caudal, la velocidad media de la sección, las alturas de
escurrimiento, los niveles de energía, el coeficiente de rugosidad y el radio hidráulico.
-Perfiles transversales y longitudinales obtenidos de los resultados, que sean consistente con lo indicado en los
planos y lo observado en terreno.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS
Se deberán presentar los siguientes estudios cuando corresponde
-Socavación, crecidas, topografía, hidrología.
-Memorias de cálculo de obras hidráulicas
-Permisos según corresponda (DGA, etc)
45
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
RESUMEN PARTE 1
Rugosidad: Es importante considerar que los valores empíricos siempre representan un rango.
Dicho valor puede variar en cada canal de acuerdo a sus características particulares, terminaciones,
estado actual y futuro (mantenimiento). Por ello, se recomienda considerar estos factores de
incertidumbre al adoptar el valor de referencia.
Velocidades mínimas: Evitar crecimiento de vegetación y depositación.
Velocidades máximas: Evitar daños al revestimiento y erosión en tramos no revestidos.
Revancha: Siempre debe calcularse respecto del nivel máximo esperable. No necesariamente
corresponderá a la altura normal.
Calculo del E.H.: Se recomienda analizar en detalle las condiciones de borde en cada tramo de
cálculo, especialmente al utilizar software computacional.
“Usar un coeficiente de Manning y asumir altura normal, sin considerar ni analizar las
condiciones reales de operación, mantención y la calidad de las aguas, puede llevar a diseños
deficientes u operacionalmente inadecuados”
46
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS
EJEMPLO CONCEPTUAL: EJE HIDRÁULICO CANAL DE RIEGO CON SINGULARIDADES.
IDENTIFICACIÓN DE CONDICIONES DE BORDE.
Condición de borde física: Grada (Zf,a) tal que aguas arriba exista h similar a hn. Evita que el
flujo se acelere y se pierdan localmente los criterios de diseño
(revancha, estabilidad)
Condición de borde hidráulica:
Zabajo=Zarriba + pérdidas
O.A. (Ej. Sifón)
Captación o
derivación
Condición de borde
hidráulica: Crisis
Subcrítico Supercrítico
47
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
PARTE 2 – OBRAS DE ARTE
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
DEFINICIÓN
Se entenderá por O.A.:
De conducción
-Caídas
-Alcantarillas
-Desarenadores
-Puentes
-Canoas y Sifones
-Transiciones
De distribución y regulación
-Compuertas
-Marcos partidores
-Válvulas
-Aforadores
Captación
-Bocatomas permanentes
-Bocatomas con barreras fija o móvil
-Canal desripiador
-Compuertas
Mitigación
-Abovedamiento o entubamiento
-Trampas de basuras
-Filtros
-Desvíos
Pozos profundos o someros
49
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
DISEÑO – CRITERIOS GENERALES
Debido a la gran cantidad de O.A. y posibles criterios diferentes, en general:
-Recomendaciones, Ecuaciones y gráficos o ábacos obtenidos de Bibliografía, indicando claramente el título,
autor y año.
-Uso de la ecuación de conservación de energía que considere las condiciones de aguas arriba o abajo,
dependiendo del tipo de escurrimiento
-Manual de carreteras (alcantarillas)
Importante: En la literatura, lo usual es encontrar recomendaciones respecto del dimensionamiento de las
estructuras. Sin embargo, para un diseño completo debe además considerarse la operación, mantenimiento y
la implantación de la estructura en el contexto real del proyecto. Por ello, se deben hacer todos los análisis
relacionados para empalmar energéticamente la obra.
Ejemplo: Una caída de la misma longitud pero incapaz de contener el resalto. El nivel que determina la
altura conjugada viene fijo por aguas abajo
50
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – CAÍDA VERTICAL EN RÉGIMEN TRANQUILO
(Fr <1 AGUAS ARRIBA)
275,1
1 54,0
a
h
a
h c
810,0
2 66,1
a
h
a
h c
660,0
00,1
a
h
a
h cP
810,0
30,4
a
h
a
l cC
1290,6 hhlR
3
12
g
qhC
51
hn
CAÍDAS MAYORES (TORRENTE AGUAS ARRIBA) SE
VERÁN EN EMBALSES.
GRADA
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
OBRAS DE ARTE - CRITERIOS ESPECÍFICOS
ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO PARA EL DISEÑO
Artículo 12: Embalses
Artículo 13:Acueductos (considera además captaciones, derivaciones, obras de aforo, de control de excesos de
caudales, o.a, atraviestos, entregas, descargas etc,)
Artículo 14: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de presentación en
Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)
Para obras mayores:
Embalses h>5 m, Bocatomas, canoas y
sifones se deben adoptar las exigencias de
la DGA y someter el proyecto a su
aprobación.
Crecida de diseño: Debe considerar
revancha
Crecida de verificacion: Situacion
excepcional que puede utilizar
completamente la revancha disponible.
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO
(SIFONES Y CANOAS)
Artículo 14 del reglamento: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de
presentación en Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)
Tipo A y B: Párrafo IV, Artículo 49
Diseño TR=100 años: Revancha mínima de 1,0 m por sobre el nivel máximo de aguas
Verificación TR=200 años: Nivel máximo no deberá alcanzar el punto más bajo de la superestructura.
Socavación TR=100 años. Se deberá analizar la socavación general y local (en caso de que existan elementos
dispuestos dentro del cauce). La profundidad mínima de socavación deberá ser multiplicada por un factor de seguridad
de 1,2
53
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO
(SIFONES Y CANOAS)
Artículo 14 del reglamento: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de
presentación en Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)
Tipo A y B: Párrafo IV, Artículo 49
Diseño TR=100 años: Revancha mínima de 1,0 m por sobre el nivel máximo de aguas
Verificación TR=200 años: Nivel máximo no deberá alcanzar el punto más bajo de la superestructura.
Fotografía – Sifón el Toro – Canal Melado
Revancha
sobre nivel
máximo
Socavación
(General y
local)
Socavación TR=100 años. Se
deberá analizar la socavación
general y local (en caso de que
existan elementos dispuestos dentro
del cauce). La profundidad mínima de
socavación deberá ser multiplicada
por un factor de seguridad de 1,2
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Socavación TR=100 años. Se deberá analizar la socavación general y local (en caso de que existan elementos dispuestos
dentro del cauce). La profundidad mínima de socavación deberá ser multiplicada por un factor de seguridad de 1,2
CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO
(SIFONES Y CANOAS)
Smáx debe considerar socavación general y local (en caso de elementos apoyados en
el cauce).
55Fotografía – Sifón Cholguán
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – EX DIRECCIÓN DE RIEGO
(SIFONES Y CANOAS)
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO (BOCATOMAS)
Las exigencias del reglamento del art. 294 se resumen a continuación:
1. Las Bocatomas caen dentro de las obras de captación relacionadas con acueductos: Párrafo III, artículo 41.
2. Se distinguen los casos con barrera (elementos dispuestos en forma transversal) de los casos sin barrera
3. Respecto de los períodos de retorno, se establece una clasificación relacionada con la altura de la obra, definida como
“el punto más alto de la estructura resistente, sin tener en cuenta los escarpes, dentellones, pantallas de
impermeabilización, rellenos de grietas u otros elementos semejantes”
• Sin barrera/Altura menor o igual a 5,0 m: Diseño TR=100 años, Verificación TR=200 años
• Altura mayor a 5,0 y menor o igual a 15,0 m: Diseño TR=250 años, Verificación TR=500 años
• Altura mayor a 15,0 m: Diseño TR=1.000 años, Verificación TR=10.000 años
4. En caso de existir compuertas como parte de los elementos transversales.
• El mínimo será 2.
• Deben permitir el paso de elementos flotantes
• La crecida de diseño debe considerar el 25% de las compuertas fuera de servicio, con un mínimo de 1,0.
• La crecida de verificación puede considerar todas las compuertas y toda la revancha disponible.
• La revancha mínima será de 1,0 m entre el nivel máximo generado por la crecida de diseño y el punto más bajo
de la estructura.
Nota: No confundir con la clasificación de embalses, que es similar en cuanto a los rangos de altura, pero asocian diferentes TR.
57
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
BOCATOMAS:
DE SUPERFICIE:
Debe evitarse instalarlas en el lado interior de una curva. El vertedero evacuador de
crecidas debe ser de gran capacidad: Período de retorno 1:100 a 1: 1.000 años.
Restricción D° de agua
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
BARRERA MÓVIL
Q2,QF2
OBRA DE TOMA O OBRA DE CAPTACIÓN
Q1,QF1
59
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 60
Compuertas móviles, sector río Mapocho.
BOCATOMAS DE SUPERFICIE – ALGUNOS EJEMPLOS
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 61
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
Compuerta radial móvil. Se acciona a través de motores ubicados en las
casetas naranjas.
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 62
Toma
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 63
Aspectos del diseño hidráulico que se deberán verificar:
- Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos al canal de aducción
- Disipación de la energía hidráulica al pie de las barreras fijas y en especial de las barreras móviles.
- Protecciones de las obras frente a socavaciones.
- Controlar las filtraciones bajo las obras (evitar el piping).
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Barrera Fija
Barrera Móvil
Obra de Toma
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
64
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Posición Óptima:
Experiencias de Haber-Maas
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
65
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
:
Canal desripiador operando en la obra de captación.
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
66
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
□.- Sistemas de purga de operación discontinua.
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
67
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
La determinación del nivel de la poza H y
las dimensiones obra de toma son
iterativas.
Considerar 2 casos:
Barrera en Crecidas, Hmax
Barrera en situación normal, H
Barrera en Crecidas:
1.- Calcular Carga H máxima en Barrera, considerando barrera fija + barrera móvil, con sus correspondientes curvas de descarga.
Este cálculo debe efectuarse con el Q diseño de la barrera: valores usuales desde 1:200 a 1:1.000 años de la serie de caudales naturales del río.
Se verifican períodos de retorno menores (1:100 a 1:500) con una o más compuertas fuera de servicio.
H máx, H.
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
68
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
La determinación del nivel de la poza H y las dimensiones obra de toma son
iterativas.
2.- Se adopta un valor de a según cargas de sedimentos admisibles en la barrera.
3.- Se calculan obras de aducción, en proyectos de prefactibilidad se usan
habitualmente condiciones normales, en estudios más avanzados, ejes hidráulicos.
Barrera en situación normal, H:
69
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
4.- Si la obra de toma empalma con un canal, lo ideal es enlazar energéticamente la poza y el
inicio del canal, para que en este exista altura normal.
5.- A partir del Bernoullí de inicio del canal, se agregan perdidas singulares que correspondan y
se obtiene la energía al final de la grada.
6.- A partir de esa energía se impone energía crítica sobre grada de entrada (umbral). La carga
H resultante será el Bc más las pérdidas de entrada (incluir perd. Reja si corresponde).
=> Se obtiene la carga H
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
70
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
¿y como sé que tendré la carga H en la poza?....
…Opero (abro o cierro) las compuertas ¡
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
71
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Verificar (y rediseñar si corresponde):
• Verificar (y diseñar) con una velocidad en la reja entre 0,7 y 1,2 m/s para asegurar su
estabilidad.
• Para obtener la altura de muros y compuertas se considera Zcoron= H + Revancha (min 1,0 m).
En esta revancha deben quedar incluidas las plataformas de operación.
• Pérdidas a considerar: Rejas (Berezinsky), pérdidas entrada, transiciones, ranuras de
compuertas, salida.
• Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil. Disipación de la energía hidráulica
al pie de una barrera vertedero, ya que el caudal se vierte desde un nivel alto en la poza al nivel
inferior en el río de aguas abajo. También debe disiparse la energía hidráulica en las obras de
desripiación.
• La protección de las obras de las socavaciones locales que pueden producirse al pie de la
barrera móvil, barrera fija, en las riberas del río aguas abajo de las obras.
• Controlar las filtraciones bajo las obras y evitar los fenómenos de “piping”.
• Determinación de las subpresiones sobre las obras para el adecuado diseño estructural.
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
72
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Cálculo de socavación umbral de salida:
Bormann- Julien
La fundación del diente, además de proteger contra la socavación, aporta resistencia al flujo para evitar el fenómeno del piping
Smáx.:
73
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Piping en barreras:
Debe verificarse no exista tubificación del suelo bajo la estructura
(piping) pues esto podría hacer colapsar la estructura, por fuga de
finos y pérdida de capacidad de soporte:
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
74
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Para verificar esto se usa el método de Lane (Rotura compensada: Lrc)
Lrc = Lv. + 1/3 Lh (si incl 45º L=Lh)
debe verificarse que: Rcc = Lrc / H sea ≥ Rcclim
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
75
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Están compuestas por 3 partes: el sumidero, el desripiador y el
vertedero de rebase y captación de aguas limpias.
III III
BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA
76
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Se utilizan para cauces de fuerte pendiente en zonas con arrastre y difícil acceso.
Funcionan con muy baja mantención.
Por su mecanismo de limpieza sólo se pueden implementar en ríos de grandes
pendientes y desniveles.
BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA
77
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA
78
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA
79
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA
80
Fotografía – CH El Toro Endesa
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
REJA COANDA ->ELIMINA EL REQUISITO DE “PENDIENTE FUERTE”
81
Fotografía – Captación CH Dongo, Chiloé
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
OJO CON LOS SEDIMENTOS
82
Fotografía – Río Barroso, Colombia
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Protecciones (Ver parte 3):
Enrocados-> Schoklitsh
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
83
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Elementos de diseño de una barrera móvil:
Protecciones:
BOCATOMAS DE SUPERFICIE:
84
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
RESUMEN PARTE 2
Diseño≠Dimensionamiento. El diseño no solo debe considerar el dimensionamiento, sino que
también las condiciones de operación y especialmente la implantación o empalme energético de la
obra.
Los resultados de los análisis hidráulicos serán un input para el diseño estructural.
Período de retorno: En obras que interactúen con cauces naturales, es fundamental identificar el
período de retorno y el elemento al que se debe aplicar para efectos del diseño de la obra. Se
revisaron los principales criterios para estos efectos.
Bocatomas: Se revisaron someramente algunos elementos de diseño de Bocatomas con barrera:
-Obtener la carga de operación
-Obtener la carga máxima
-Elementos de protección y socavación al pie.
85
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Importante: En la literatura, lo usual es encontrar recomendaciones respecto del dimensionamiento de
las estructuras. Sin embargo, para un diseño completo debe además considerarse la operación,
mantenimiento y la implantación de la estructura en el contexto real del proyecto. Por ello, se deben
hacer todos los análisis relacionados para empalmar energéticamente la obra.
Ejemplo sencillo: Una transición
Datos:
Q=2,0 m3/s
b=2,0 m
i=0,001
Requiero realizar un cambio de sección, pasar de canal trapecial a canal rectangular para empalmar
con una obra de arte existente.
Si la pendiente de fondo es la misma, y se proyecta una transición desde trapecial 1.5:1.0 (H:V) a
rectangular, la energía específica, o el Bernoulli con respecto al fondo, puede ser diferente.
¿Cuáles son las opciones?
1. Empalmar fondo con fondo
2. Empalmar alturas de aguas
Nota. Debido a que la pendiente es la misma, la pérdida de carga se asumirá despreciable.
86
EJEMPLO
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Caso 1: Empalme fondo con fondo
Hn=0,61 m
En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)
Hn=0,85 m
En=0,92 m (v2/2g=0,7 m)
RectangularTrapecial
Altura
normal
Altura
impuesta
por aguas
abajo
Consecuencia: En lugar de
altura normal, se presenta
río peraltado. Se disminuye
la revancha disponible, y
además el efecto del peralte
se transmite hacia aguas
arriba hasta que J=i
87
RT
T
R
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Caso 2: Empalme de alturas de agua
Hn=0,61 m
En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)
Hn=0,85 m
En=0,92 m (v2/2g=0,7 m)
RectangularTrapecial
Altura
normal
Consecuencia: Al no existir pérdida de carga,
empalmar las alturas de escurrimiento mediante un
desnivel en la transición es equivalente a empalmar
las energías específicas.
En el caso general, debe además sumarse la pérdida
de carga.
Es decir:
Δz=ΔE +/- λs
Δh=0,85-0,61=0,24 m
88
RT
T
R
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
En el caso anterior, dado que las alturas de velocidad eran equivalentes, se cumplía que E1=E2-Δhn
En proyectos de canales, es usual obtener que la pendiente económica de un canal rectangular es mayor que la del
caso trapecial. Esto permite dimensionar canales rectangulares menores. En este caso, empalmar las alturas de
agua lleva nuevamente a un peraltamiento del tramo trapecial, al imponer una energía específica mayor que la
normal como condición de borde.
Hn=0,61 m
En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)
Hn=0,61 m
En=0,74 m (v2/2g=0,7 m)
RectangularTrapecial
Altura
normal
Altura
impuesta
por aguas
abajo
Δh=0,61-0,61=0,0 m
Conclusión: Cada singularidad del canal, si no está empalmada
energéticamente con el tramo siguiente, generará alteraciones del flujo no
deseadas. En casos de existir varias transiciones, estos efectos se pueden
acumular y dejar al canal sin revancha.
En este ejemplo, una transición mal empalmada, puede restar 6 cm de
revancha cualquiera sea el caudal. En este caso, el mínimo es 20 cm, y la
revancha en cierto tramo nunca será mayor que 14 cm.
Debido a que el Bernoulli solo crece hacia aguas arriba, en ciertos casos el
efecto puede sumarse con otras singularidades antes de que se alcance
altura normal.
Para evitar peralte, se debe empalmar En.
Es decir, para imponer una energía
específica equivalente a la energía normal,
el empalme del canal trapecial debe estar
Δ=0,74-0,68=0,06 m más alto.
89
RT
T
R
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
PARTE 3 –EMBALSES Y OBRAS ANEXAS
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERIODOS DE RETORNO
EMBALSES (Elementos de evacuación)
Clasificación, Art. 12
Categoría A: Pequeños 5<H<15 o 50.000 m3 <V<1.500.000 m3
Categoría B: Medianos 15≤H<30 o 1.500.000 m3 ≤V<60.000.000 m3
Categoría C: Grandes H≥30 V>60.000.000 m3
Crecidas de diseño, Art. 30
Obras de evacuación y desague
Categoría A:
Diseño TR=250 años
Verificación TR=500 años
Para embalses inferiores a la categoría A, que no están regidos por este reglamento, se recomienda adoptar los mismos
criterios asociados a las obras de captación cuando corresponda:
Altura menor o igual a 5,0 m: Diseño TR=100 años, Verificación TR=200 años
Nota: No se incluyen los criterios de diseño para embalses mayores
91
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
VERTEDERO
En general, se denomina vertedero a un conjunto de obras de evacuacion y desague, que
pueden comprender:
Obras de vertimiento o rebose
Obras de conduccion
Obras de disipacion
Protecciones hidraulicas
Por ello, tambien usualmente se designa como "obra de seguridad"
92
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
EN EMBALSES ALIMENTADOS POR CANALES
Se debe contar con un
elemento de rebalse
con capacidad para
evacuar la capacidad
máxima del canal
alimentador.
93
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O94
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Revancha
95
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Revancha
Hv
Vertedero lateral
Morning Glory
Controlado con
compuertas
EN EMBALSES ALIMENTADOS POR CAUCES NATURALES
Cota del umbral
96
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
VERTEDERO
Diseño del vertedero (rebose)
Lo mas usual es utilizar un coeficiente de gasto de referencia y el efecto de contraccion (longitudefectiva)
Ecuacion del vertedero. Forma tradicional:
𝑸 = 𝒎𝑳𝑯 𝟐𝒈𝑯
Coeficientes de referencia:Pared gruesa (crisis) m=0,385Vertedero lateral en canal m=0,35 – 0,37Pared delgada Lateral (en un embalse) m=0,40Pared delgada Frontal m=0,45Morning Glory m=0,46 – 0,49Cresta Ogee m=0,52 y más
Importante: Algunos coficientes de gasto tabulados no son adimensionales, y pueden corresponder aunidades inglesas (ej. Los de los abacos del small dams). Esto pues incorporan en el coeficiente degasto el valor de “2g”
Ejemplo:-Q=CLH3/2 (Fórmula del Small Dams)
3
1
3
2* QCm
3
1 )(3
2
3
2PHgCbQ Q De aquí, si Cq=1 m=0,385
97
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VERTEDERO
Concepto de longitud efectiva:
Nota: Debido a que el coeficiente de gasto es un valor empírico, se debe revisar cada valor o expresión
recomendado respecto de la longitud que debe emplearse, ya que algunas expresiones están referidas
al concepto de “longitud efectiva”.
Por ejemplo, para los coeficientes de gasto del small dams, la longitud efectiva se calcula
eape HKKNLL *)*(*2
L = ancho o longitud bruta del vertedero (m)
N = número de vanos
Kp = coeficiente de contracción por machones
Ka = coeficiente de contracción por estribos
He= Energía disponible sobre el umbral del vertedero (m)
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VERTEDERO MORNING GLORY
El valor de “m” decrece a medida que
H aumenta
Para H/r=0,2
m=0,495
99
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REVANCHA
Se diferencia de acuerdo a la altura de muro.
H<1,5 m Se puede adoptar una revancha mínima de 30 cm, deseable 50 – 70 cm.
1,5<H<5,0m Se debe considerar el efecto del oleaje y un Factor de seguridad, con mismos rangos
anteriores.
H>5,0m Se deben considerar las exigencias de la DGA:
Revancha mínima. Se entenderá como la diferencia de elevaciones entre el coronamiento del muro y el nivel de aguas,
generado por la crecida de diseño, en el evacuador de seguridad. Para su determinación se deberá considerar la
sumatoria de los siguientes factores:
1. Efecto del viento sobre el embalse.
2. Altura de la ola causada por el viento, incluido el efecto de ascenso de la ola.
3. Asentamiento por consolidación del muro y/o de su cimentación.
4. Asentamiento dinámico causado por sismo. Para este cálculo, se aceptarán como válidas las recomendaciones
establecidas en la letra a) del artículo 31 del presente Reglamento, relativo al estudio sismológico, considerando
para ello el valor del sismo más desfavorable en cada caso.
El valor mínimo aceptado para la revancha será de 1,0 m, cuando del cálculo se obtengan valores inferiores a esta cifra.
Importante: La revancha indicada debe referirse al nivel maximo asociado a la crecida de diseño, medida en el
vertedero.
100
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REVANCHA POR OLEAJE
Usualmente se define como r=1,5hola
Para el cálculo de la altura de la ola existen numerosas fórmulas…¿Cuál usar?
Stevenson (“The construction of Harbors” 1864) – Proviene de un tratado de hidráulica marítima.
Orientado a el caso de fuertes temporales (Valores generalmente más conservadores) – Mínimo Fetch
de las observaciones: 1 milla
Molitor (“Waver pressure on Sea-Walls and Breakwaters” ASCE Transactions 1935)
101
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Bureau of Reclamation (1960) – Es la más sencilla de usar, pero la menos
aplicable a embalses pequeños ya que no toma en cuenta el Fetch (No
usarla en embalses pequeños)
Creager (1963) – De las anteriores, sería la más idónea para el caso de un
embalse pequeño
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O103
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-Khatsuria, 2005 - Hydraulic design of spillways and energy dissipators:
Compendio de prácticamente todos los tipos de vertederos y disipadores
existentes, en unidades del SI
-Vischer y Hager, 1998 - Dam Hydraulics: Buen texto de referencia para obras
relacionadas con presas.
-Vertederos tipo Ogge –Además de los textos anteriores, se recomienda también
consultar el texto del Small Dams para los casos con velocidad de aproximación no
despreciable, o el HDC del USACE, para casos en que la velocidad de
aproximación es despreciable. Ojo con las unidades y los coeficientes de gasto.
MAYORES ANTECEDENTES
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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
La diferencia de nivel energético impuesta por el muro del embalse debe
ser disipada para evitar erosión y daños a las fundaciones y otras
estructuras.
Para conseguir este efecto, existen diversas soluciones posibles, siendo
las más comunes las del USBR.
En el punto de contacto entre la obra y el lecho natural, se recomienda
disponer de protecciones hidráulicas (enrocados).
DISIPADORES DE ENERGÍA Y PROTECCIONES
105
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
NOTA: Algunos de los tipos de caída que se verán también pueden usarse como parte de un canal de
riego. Solamente es necesario identificar el número de Froude al pie
106
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Cubetas disipadoras de resalto:
1h Altura del torrente en el inicio del resalto.
1v Velocidad del torrente > cv (velocidad critica).
1
11
gh
vF = Nº de Froude del torrente.
2h Altura conjugada.
2v Velocidad del régimen subcrítico.
rL Longitud del resalto.
La altura conjugada, relación de Belanger:
1812
1 2
1
1
2 Fh
h
DISIPADORES DE ENERGÍA Y PROTECCIONES
107
La pérdida de energía del resalto hidráulico:
21
3
12
4
)(
hh
hhPr
Longitud del resalto según Hager (1990):
12)20
(tanh160 1
1
F
ph
Lr
La eficiencia del resalto hidráulico como disipador de energía:
2
1
2
1
32
1
21818
381
FF
Fer
Resultando (s/H. Mery):
F1 er F1 er F1 er F1 er 1 0% 4 39,1% 8 66,4% 15 81,5 2 9,1 5 49,1 10 72,7 20 86,7 3 25,7 6 56,4 12 77,1
Largo de resalto (Hager, 1990)
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo II. Este tanque se utiliza cuando el torrente tiene un N° de Froude F1 mayor de 4,5 y la velocidad del torrente es superior a los 18 [m/s].
La altura del régimen tranquilo a la salida debe ser .2 05,1 conjhh ( .conjh
altura conjugada del torrente.). La longitud necesaria de este tanque es de
.4,4 conjhL .
DISIPADORES DE ENERGÍA Y PROTECCIONES
108
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Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo III. Este tanque es mucho más corto que el anterior para lo cual tiene una corrida de bloques de impacto que originan fuerzas que se suman a la fuerza hidrostática de la altura de aguas abajo.
Este tipo de tanque se utiliza en torrentes con el N° de Froude F1 >4,5, pero la velocidad del torrente debe ser inferior a los 18 [m/s], para evitar la cavitación en los bloques de impacto. La altura de aguas abajo debe ser
igual a la altura conjugada y la longitud del tanque es de .8,2 conjhL
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Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo IV. Este tanque se utiliza para disipar la energía de torrentes de baja energía específica. Sus características se muestran en la figura 2.77. Los parámetros característicos deben cumplir las siguientes
recomendaciones( .2 conjhh ):
5,45,2 1 F ; ; .1,6 conjhL
El USBR recomienda que el coronamiento de los muros laterales adopte un
resguardo (revancha) sobre 2h de :
)(1,0 21 hvhresguardo
Otros aspectos generales de los tanques (II, III, IV):
110
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques SAF (Saint
Anthony Falls)
Se utiliza para pequeñas estructuras de drenaje, es de tamaño
reducido que los tanques USBR (ver Ven Te Chow):
111
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O
Cubetas disipadoras de
resalto, Tanques SAF
(Saint Anthony Falls,
ver Texto Hidraúlica
De Ven Te Chow)
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Procedimiento General – Disipadores de Cubeta
1. Determinación de la altura de torrente y todos los parámetros hidráulicos (v, Fr, etc) al piedel rápido (Se debe asumir una cota de ingreso al disipador). Generalmentecorresponderá a un EH Supercrítico, controlado por aguas arriba (C.B.: Crisis al inicio delcambio de pendiente y cálculo hacia aguas abajo, empalme con esquemas de EHaproximados (modelos hidráulicos, prototipos), otras fórmulas (VT Chow, etc)
2. Selección del tipo de disipador según características hidráulicas, espacio disponible,eficiencia de disipación requerida, frecuencia de uso de la obra, calidad del terreno defundación, etc.)
3. Dimensionamiento de los elementos básicos del disipador: Largo de cubeta,características de los dientes y otros elementos accesorios, altura de los muros, etc.
4. Determinación de la cota de implantación del disipador: Balance de Energía entre lascondiciones naturales de aguas abajo (río, estero, otro canal, etc) y las condicionesrequeridas a la salida del disipador (ej. Hconj)
5. Verificación de los parámetros del paso 1, de lo contrario, volver a calcularlos.
6. Determinación de la socavación máxima esperada al pie del disipador. Con ello sepuede obtener la profundidad de los dientes de protección.
7. Determinación de los elementos de protección al pie del disipador en caso de que serequieran: Enrocados, bolones, losas de revestimiento en empalmes con canales norevestidos, etc. En disipadores grandes, se pueden dimensionar enrocados de tamañovariable a lo largo del cauce según resultados de modelación física o computacional.
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LA PALOMA
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Protecciones con Enrocados
Pueden ser sueltos
o consolidados
C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 116
Protecciones con Enrocados
Se especifican por su diámetro, espesor de
Capa y/o su peso crítico.
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Protecciones con Enrocados – Fórmulas Experimentales
Fórmula de Isbash
(Hydraulic Design Criteria – USCE)
cos)1(220,1cos)1(286,0:max ss dsgdsgv
Fórmula de C.R. Neill
(1968).
3/1max )()1(2h
ds
gh
VF s
Bloques trabados
S: Peso específico
relativo del
sedimento.
Normalmente 2,65
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Protecciones con Enrocados – Fórmulas Experimentales
En Taludes
Lopardo-Estellé:
Válida para:
4/126/1
13,1)1(
sen
sen
d
h
dsg
vF
ss
s
679 sd
h
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RESUMEN PARTE 3
Obra de excedencias. Debe considerar evacuar la totalidad del caudal máximo en el canal
alimentador, o bien, la crecida asociada al período de retorno correspondiente.
Revancha: Debe considerar los distintos efectos. Es importante recalcar que debe sumarse al nivel
máximo de aguas presente en el vertedero. (Carga hidráulica)
Disipadores y protecciones: Se deben diseñar y proyectar elementos de disipación y protecciones
contra la socavación al pie. Esto para evitar que la erosión del cauce al que se descarga pueda
dañar las estructuras y/o causar daños a terceros.
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Gracias
www. cnr.gob.cl