61278679 Memoria Tecnica Bocatoma Convencional Presentar

7/31/2019 61278679 Memoria Tecnica Bocatoma Convencional Presentar

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MEMORIA TECNICA

DISEO DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL

INTRODUCCION

El agua es uno de los elementos ms importantes en el planeta ya que despus del aire

es un elemento de vital importancia para el desarrollo de los procesos metablicos del

ser humano. Y dems permite la existencia de la vida animal y vegetal que son

aspectos importantes dentro de la vida de los seres humanos.Ya que le agua desempea un papel importante en la vida humana, el crecimiento de

la poblacin ha producido un problema dentro de la utilizacin debido a la escasez de

la misma.

Se ha determinado que la cantidad de agua libre existente es aproximadamente 1,35 x

109

km3, pero de sta cantidad el 97,3 % est en forma de ocanos y mares o sea no es

apta para ser consumida. Del resto que es dulce (0,7 %) ms de las tres cuartas partes

estn en forma de hielo y nieve en las regiones polares y en los glaciares de las altas

montaas.

La destruccin de las cuencas naturales hidrogrficas ha causado una crtica escasez de

la misma, afectando extensas reas y poblaciones. Sin embargo, a travs de latecnologa conocida como captacin del agua, ciudades y comunidades o pueblos

pequeos pueden aprovechar el recurso agua, ya sea para consumo domestico, con

fines agrcolas, o con fines industriales.

Adems para la utilizacin de los recursos hidrulicos disponibles es necesaria la

elaboracin de estructuras hidrulicas, que comprenden las captaciones,

conducciones, desripiadores, entre otras.


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CLASIFICACION DE LAS OBRAS HIDRAULICAS.

Las obras hidrulicas son utilizadas para diferentes propsitos entre los cualestenemos como principales los siguientes:

* Riego de cultivos.* Abastecimiento de agua para consumo domstico e industrial.* Produccin de energa elctrica.* Navegacin.

Hay ocasiones en la que el agua puede producir daos y las obras se construyenpara eliminarla o controlarla. As tenemos:

* Alcantarillado para evacuar las aguas servidas.* Drenaje para eliminar el exceso de agua de una zona cultivada.* Control de crecientes y proteccin de orillas.

Las obras hidrulicas pueden clasificarse por su funcin en:

1.- Obras de captacin.- Por gravedad como tomas de derivacin y presas deembalse y por bombeo.

2.- Obras de conduccin.- Canales y tneles. Pasos de depresiones comoacueductos, sifones y rellenos. Tuberas de presin.

3.- Obras de proteccin.- Desarenadotes, aliviaderos, desfogues, disipadoresde energa y tanques de presin.

4.- Obras de regulacin.- Divisiones, medidores y reservorios.

OBRAS DE CAPTACION.

Debido a que la mayor parte del agua consumida por el hombre es extrada de ros yutilizada aprovechando la fuerza de la gravedad es necesario buscar estructuras lascuales sean capaces de captar la cantidad de agua que se necesita para satisfacer lasdemandas, y que a su vez sean seguras y estn de acuerdo a las previsiones establecidas

anteriormente por el ingeniero.Dentro del estudio de las obras de captacin podemos encontrar las obras de captacin

por gravedad, que son aquellas que estn ubicadas a una altura considerable sobre elsitio de consumo, para que el agua corra bajo la accin de su propio peso.

Existen diferentes tipos de obras de captacin pero bsicamente se los puede clasificaren obras de toma por derivacin directa y obras de almacenamiento.

Obras de almacenamiento: se fundamentan en presas que cierran el cauce de un roformando un reservorio o embalse en el mismo. Dicho reservorio ayuda a regular el


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caudal del ro, para su posterior utilizacin. Se realiza un almacenamiento en pocas decrecientes para la utilizacin en las pocas de sequa.

Obras por derivacin: de manera directa captan el agua que viene del ro sin realizarningn almacenamiento es decir no hay regulacin y aprovecha el caudal del ro paracada momento dado.

Estas obras de toma deben cumplir con las condiciones siguientes:1.- Con cualquier calado en el ro deben captar una cantidad de agua

prcticamente constante y que sea igual al Caudal de Diseo.

2.- Deben impedir en lo posible la entrada a la conduccin de material slido yflotante y hacer que ste siga por el ro.

3.- Satisfacer todas las condiciones de seguridad necesarias.

Para un adecuado y satisfactorio funcionamiento de estas obras de captacin, el ro debereunir las siguientes caractersticas:

1.- Para asegurar un servicio ininterrumpido, el caudal del ro debe ser bastantemayor que el caudal de diseo. Al mismo tiempo se debe tener la seguridad que la

profundidad del ro en el sitio de la toma no disminuya nunca de un cierto valormnimo. Estas condiciones se encuentran en ros de llanura.

2.- El ro debe poseer un cauce estable que se caracterice por la presencia deorillas firmes a fin de que no se produzcan derrumbes y erosiones que puedan afectar alas obras de captacin.

3.- Es sumamente difcil impedir el ingreso de sedimentos. Al sacar el agualateralmente de un ro, se desarrolla una circulacin transversal que se caracteriza por unconsiderable arrastre de los sedimentos, los cuales se encuentra fuera de proporcin conrespecto al caudal captado. Consecuencia de esto el canal se tapona, su alineacin sedeforma y de no tomarse ciertas medidas correctivas la entrada del mismo se desplazaaguas abajo del ro.

La mayora de las obras de toma tienen un dique que cierra el cauce del ro y que elevael nivel del agua hasta una cota determinada.

La toma ms comn es la que consiste de un dique vertedero que cierra el caucedel ro y capta las aguas por un orificio o vertedero lateral (rejilla).

DISEO DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA BOCATOMACONVENCIONAL.

1.- Un dique que cierra el cause del ro y obliga a que toda el agua que se

encuentra por debajo de la cota de su cresta entre a la conduccin.En tiempo de creciente el exceso de agua pasa por encima de este dique o sea quefunciona como vertedero. Este tipo de dique vertedero se llama azud.

Para evitar que en la creciente entre excesiva agua a la conduccin, entre sta y la tomase dejan estructuras de regulacin. Una de stas es la compuerta de admisin que

permite interrumpir totalmente el servicio para el caso de reparacin o inspeccin en laconduccin.


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1. DISEO DE LA REJILLLA DE ENTRADA

Su funcin primordial es impedir que pase hacia el resto de los componentes de lacaptacin material slido flotante demasiado grueso. Para esto el umbral de la reja se

pone a cierta altura sobre el fondo del ro y la separacin entre barrotes, los cualestienen en determinado espesor para que no sufran deformacin por impacto del materialflotante, en general no pasa de 20 cm.

El agua es capta por medio de una reja (orificio provisto de barrotes de un espesordeterminado) que se encuentra en una de las orillas. El umbral de la reja debe estar auna altura no menos 0,60 0,80 cm del fondo.

En estiaje, el agujero de la reja funciona como vertedero, la carga necesaria para elvertedero viene de la retencin de agua generada con la ayuda del azud. El vertederotrabaja como sumergido con un desnivel pequeo entre las dos superficies.

As mismo, durante las crecientes, cuando baja por el ro la mayor parte del materialflotante, ste pasa por el azud casi sin entrar por la reja que queda sumergida.

El muro en el que se coloca la reja generalmente es perpendicular al azud, es decir endireccin paralela a la del ro. Sin embargo es conveniente darle una pequeainclinacin con respecto a la direccin del ro tanto para acortar la longitud necesaria

para llegar a terreno alto como para mejorar las condiciones hidrulicas.

Para el diseo de la reja de entrada suponemos que la reja va a trabajar como unvertedero rectangular sumergido como se observa en la figura, y los clculos serealizaran en base a la siguiente ecuacin:

Donde

Q: es el caudal de diseo

Co: el coeficiente de contraccin

S: el coeficiente de sumersin

2/

310*

23

2r

c hHHnbCogSQ

|


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5

b: es la base efectiva o neta de la reja de entrada

nc: el nmero de contracciones laterales del vertedero

H: el alto de la reja

hr: es la perdidas por rejilla que se generan al pasar el agua atreves de ella

Para el diseo se considero los siguientes datos:

Caudal de diseo: Q=1m3/s

Altura del umbral aguas arriba (de la reja): P1= 0,8m

La altura del umbral entra dentro de las especificaciones tomadas del libro de

Sviatoslav Krochin de que la altura del umbral de la orilla debe estar a una

altura no menor de 60 a 80 cms.

Altura del umbral aguas abajo: P2= 0,8 m

Carga sobre el vertedero: H= 0,45 m

Z (desnivel o perdida)=es el 0,1 % de la altura de la reja para nuestro caso es del 0,04 m

Espaciamiento entre barrotes: s=0,12m

Espesor de los barrotes: t=0,10m

Angulo de inclinacin de la reja con respecto al ro: =53,13 , que fue calculada con la

siguiente frmula:

Y para encontrar el del ro que es el ngulo entre la direccin del ro y la normal a la

reja:

Nmero de contracciones laterales del vertedero: 2

Para realizar los clculos de los valores necesarios para el diseo de la rejilla se

emplearon frmulas basadas en el criterio de algunos autores.

Clculo del coeficiente (Coeficiente de contraccin):

Autor: Kindvater y Carter

1

075.0602.0P

HCo !


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6

Realizando las operaciones correspondientes con ayuda de la hoja electrnica se

obtiene:

H P1 Co

0,45 0,8 0,6441875

El valor que se obtiene es Co=0,644

Clculo del coeficiente de sumersin (S)

Autor:Villamonte n = 3/2

constante para vertedero

rectangular

n = 5/2 constante para vertedero triangular

Realizando las operaciones correspondientes se obtiene :

H z a S

0,45 0,09 1,50 0,6163

El valor que se obtiene es S=0,6163

Determinacin de b (ancho libre), B (ancho bruto) y n (nmero de barrotes)

Como la rejilla trabaja como vertedero sumergido, tenemos

Con la ayuda de los componentes de resolucin de ecuaciones que posee la hoja

electrnica EXEL, encuentro el valor de b efectivo, y adems con la utilizacin de las

formulas anteriores que son utilizadas para el clculo de las prdidas que se producen

al paso del agua a travs de la rejilla.

Para encontrar el valor del ancho efectivo se tiene que igualar a cero la ecuacin para

el vertedero rectangular sumergido con cada uno de los factores que influyen en la

ecuacin y con la ayuda del componente SOLVER se llega a un resultado que es

bastante exacto y semejante al encontrado mediante iteraciones. Para el clculo se

385.0

1

-

!

n

H

zHS

g

VkhRr2

2

|2

45.045.1

!

ab

an

ab

anK

B

b

a

a

b

n!


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debe elaborar una tabla con todos los componentes que intervienen en la ecuacin

antes mencionada.

A continuacin presento la tabla de clculo y resultado del ancho efectivo:

g = 9,81000

Q = 1,00000

H = 0,45000

Co = 0,64419

S = 0,61631

nc = 2,00000

s = 0,12000

t = 0,10000

n = 25,00000

B = 5,64322 5,6

kr = 0,88912

V = 0,70699

hr = 0,02265

b = 3,14322 3,1

Ecuacin=0 0,00000

Los valores de la tabla que se encuentran continuos a los valores obtenidos del ancho

efectivo y ancho bruto son los valores adoptados para la construccin.

Determinacin de n (nmero de barrotes)

A partir del valor del ancho efectivo cuyo resultado presento en la tabla anterior. Seprocede a determinar el # de barrotes mediante el empleo la siguiente ecuacin:

Ecuacin:

b ( m ) s ( m ) n n

3,143 0,12 25,19 25

Determinacin de B (ancho bruto de la rejilla)

Con la ayuda de la siguiente ecuacin y los valores de el ancho efectivo y el numero de

barrotes se obtiene el ancho bruto de la rejilla.

Ecuacin:

s

sbn

|

ntb !


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b ( m ) n t ( m ) B ( m )

3,143 25,0 0,1 5,643

Resultados:

b (m) 3,1

B (m) 5,6

n 28

2. DISEO DEL DESRIPIADOR

El desripiador se encuentra a continuacin de la reja de entrada, al cual el agua pasa yadems se quedan las piedras que lograron atravesar la reja de entrada, por tal motivo lavelocidad en el desripiador debe ser relativamente baja, dichas piedras sern evacuadas

durante el mantenimiento de la obra por medio de la compuerta que posee el mismo,que se encuentra conectada al canal de desfogue. El canal debe tener una gradientesuficiente para conseguir una velocidad de lavado alta y que sea capaz de arrastrar todaslas piedras.

Entre la reja de entrada y el vertedero de salida puede formarse un resalto sumergido ypara que el vertedero funcione de forma normal es conveniente que el ancho deldesripiador en este sitio sea igual por lo menos a la longitud del resalto.

Tambin se tendr especial cuidado en eliminar todos los ngulos rectos y unir lasparedes con curvas que converjan hacia la compuerta del desripiador para que laspiedras no se acumulen en las esquinas.

Paso previo al desripiador se debe disear el vertedero del desripiador, lasconsideraciones para el diseo de este elemento hidrulico es mantener la misma cargade agua que se mantuvo en sobre la reja, ya que luego se puede producir problemas enel control de crecida.


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Vertedero del desripiador

El vertedero del desripiador se calculo con la ayuda del complemento de la hojaelectrnica (SOLVER), igualando a cero la ecuacin de un vertedero rectangularsumergido, diferenciando con la rejilla en que no se considera las prdidas por rejilla.

A continuacin presento la tabla de clculo para la obtencin del ancho del vertedero

del desripiador que es un dato primordial para el clculo de la longitud del desripiador.

Diseo del Vertedero del Desripiador

Altura umbral P3 (m) 0,80

Carga sobre el vertedero H (m) 0,45

Perdidas z (m) 0,05

Coeficiente de sumercin S 0,4770

Coeficiente de gasto Co 0,6444

Ancho Vertedero Desrip. bv (m) 3,7397

Nmero de contracciones n 2

Ecu. Kindsvater & Karter tol (0,00)

Ancho Vert. Desr. definitivo bv (m) 3,75

Ancho del vertedero del desripiador b=3,75m

Para comprobar que el vertedero trabaje libre se calcula su altura contrada

Comprobacin si el resalto se rechaza o no

Aplicamos la ecuacin de la energa

Resolucin de la ecuacin de energa Altura Contrada Y1

H (m) P1(m) Vo (m/seg) B(m) Y1(m) Ecuacin En

0,45 0,8 1,00 0,1418 5,64 0,036298 0,00000

Se calcula Y1 utilizando el (SOLVER)

Comprobacin de si se rechaza o no el Resalto

si Fr < 1 No hay resalto

si Fr > 1 Hay resalto y se encuentra su conjugada

gVY

gVoPH

22

2

11

2

1 !

BHPQ

Vo

!

1 1

1BY

QV !

3

2

gA

TF !


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10

F =8 18 hay resalto ysecalc la la altura conjugada Y2

Obt n in d l Altu C ti Y2

Y2=0 402

P1+ =1 246

S Y2< 1+H

Condicin: R s lto su ido

Ya queel desripiador cumplecon la condicin de resalto sumergido, entonces

se procede a continuacin al c lculo del resalto quesumado a la longitud del

chorro, corresponde a la longitud mnima del desripiador.

Lon itud mnima d l Des ipiado

Para hallar la longitud del resalto se busca la longitud del resalto y la longitud del

chorro ysesuma las dos.

LDesripiador = LResalto + LChorroLon ituddel resalto

Sil ester

Coe icientes para vertedero rectangular:

a=9,75

b=1,01

LR=2 592mLon ituddel chorroEcuaciones del chorro

X=V*t, y=gt2

2, V= bH

V=0,707 m/s

X=0,323 m

R FryL 11 !

!2

1

2811

2R

YY

yx

22

!


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Lon ituddel Desripiador=4 863mLD=2,915m

LD=3m

Lon ituddel Desripiador segnVenTe Chow

Se toma =12.5esto sever ms adelante de dondesaleen la transicin

B m m L m

5, 3,740 12,5 4,293

LD=4,5m

Se toma la mayor de las dos longitudes, por lo tanto

LD=4 5m

Esta longitud puedecambiar de acuerdo a los requerimientos para el vertedero

dee cesos.

Diseode la Transicin

El agua que sale del desri iador por medio de un vertedero ancho y de poco ca lado sedirige hacia un canal el mismo que posee una secci n ms estrecha y ms profunda.Por tal motivo conviene intercalar entre estas dos secciones lo que se logra con unatransici n, es decir una estructura en la cual dicho cambio se lo reali a en forma gradualconsiguiendo una prdida de energa mnima.

De acuerdo al Bureau ofReclamation se recomienda que el ngulo mximo entre el ejedel canal y una lnea que une los lados de la de la transici n a la entrada y a la salida noexceda de 12, .

Para disminuir las prdidas conviene no dejar cambios de direcci n bruscos y por esto

se procura redondearlas esquinas.Todava mejor es hacer una transici n en curva compuesta de arcos de crculo tangentesa la entrada y a la salida a las alineaciones del canal. Esto disminuye considerablementelas prdidas aunque encarece la construcci n.

Las prdidas que se producen en una transici n son debidas a la fricci n y al cambio develocidad. La primera es pequea y puede ser despreciada en clculos preliminares.La segunda se debe a la diferencia de cargas de velocidad.

Etg

bBL

2


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Objetivos de la transicin

Disminuir al mximo las prdidas.

Lograr una distribucin ms uniforme de velocidades.

Previo al diseo de la transicin se debe disear el canal de conduccin del agua

captada, para de acuerdo a la base y ancho superficial del mismo poder realizar los

clculos necesarios para la conformacin de dicha transicin.

Para el clculo del canal se procede como en anteriores clculos a la utilizacin del

componente de la hoja electrnica (SOLVER), igualando a cero la ecuacin de

Manning para canales. A continuacin presento la tabla de clculos del canal, donde

el nmero de manning tomado para el diseo corresponde a un nmero asignado

para canales de hormign.

Q 1

n manning 0,014

S 0,0002

z 0,5

A 1,630203906

P 3,44496675

b 0,75

2

V 0,613420196

y 1,20522577

La base del canal fue impuesta de tal manera que en lo posterior, cumpla elsistema de captacin con el rgimen de crecida.

Para la transicin se tomar la forma con arcos de parbola de 2do grado

Se aplica la ecuacin:

bini =ancho del fondo de la transicin al inicio y que coincide con el ancho del vertedero

del desripiador

bfin =ancho del fondo de la transicin al final de este y que coincide con el ancho de laconduccin.

bini=3,75m

bfin=0,75m

=12,5

L=6,7m

Etan2

finini bbL

!


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Tipos de transicin

Transicin de Entrada: es aquella en la que la velocidad aguas arriba es menor que lavelocidad de aguas abajo.

Transicin de Salida: es aquella en que la velocidad al comienzo es mayor que a lasalida.

En una transicin de entrada se produce un descenso en la superficie libre. En una

transicin de salida se produce un ascenso.

Clculo de las velocidades inicial y final de la transicin

)( HPBini

!

Vini=0,215m/s

Vfin=0,61m/s

Vini


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A continuacin presento los datos del canal o punto final de la transicin:

canal

A 1,63020391

Q 1

v 0,6134202

o canal 1,20522577

EXPRESIONES UTILIZADAS PARA EL CLCULO:

Para el clculo se utilizaran las siguientes expresiones:

Las expresiones a continuacin son las utilizadas para le calculo de una

transicin con arcos de parbola de 2do grado:

0eXeL/2

L/2eXeL La imposicin de las alturas de agua se la realiza interpolando de manera lineal

entre las alturas del vertedero del desripiador y el calado del canal:

Para el clculo del descenso de la superficie libre se utiliza la formula a

continuacin donde la velocidad inicial ser la del inicio, es decir aguas arriba

del vertedero del desripiador y la final ser la de cada estacin hasta llegar a la

velocidad que se produce al inicio del canal.

Ce=0,1 (arcos de parbolas de 2d0 grado)

Para el clculo de las perdidas por friccin se utiliza las expresiones a

continuacin, una de ellas se deriva de la ecuacin de Mannnig:

2

3/5

3/2

!

A

QnPSf

hf=Sfm.x

Para el clculo de la cota de fondo se utiliza la siguiente expresin:

g

VinicVfinCeyo

21

22 !(

(! finicialinicialx hyyyZZ


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Las tablas de clculos de la transicin se muestran a continuacin:

ESTACIN Distancia bx tx y m talud A VDescenso en laSuperficie Libre

0 0 3,74 3,74 1,25 0,00 4,6579 0,2147 0,0000

1 0,67 3,68 3,70 1,24 0,00 4,5841 0,2181 0,0001

2 1,34 3,50 3,60 1,24 0,00 4,3936 0,2276 0,0003

3 2,01 3,20 3,43 1,23 0,10 4,0877 0,2446 0,0007

4 2,68 2,78 3,18 1,23 0,20 3,6673 0,2727 0,0014

5 3,35 2,24 2,87 1,23 0,30 3,1337 0,3191 0,0028

6 4,02 1,71 2,56 1,22 0,30 2,6035 0,3841 0,0114

7 4,69 1,29 2,31 1,22 0,40 2,1920 0,4562 0,00838 5,36 0,99 2,14 1,21 0,50 1,8978 0,5269 0,0118

9 6,03 0,81 2,03 1,21 0,50 1,7199 0,5814 0,0149

10 6,7 0,75 2,00 1,21 0,50 1,6572 0,6034 0,0162

Tabla 1 Transicin

Como podemos observar en la tabla anterior:

En la columna 1: colocamos el nmero de estaciones o divisiones que realizamos parael clculo, mientras ms divisiones existan ms exacto ser el clculo, pero un caso

prctico es dividir en 10 estaciones (recomendacin).

En la columna 2: calculamos la distancia desde el inicio, hasta cada estacin, que es

resultado de la suma sucesiva de x.En la columna 3: calculamos las bases en cada estacin segn las expresiones antes

presentadas, que corresponden a una transicin con forma de dos parbolas de 2dogrado.

En la columna 4: se calcula la variacin de los anchos superficiales con la mismatendencia y expresiones que las bases.

En la columna 5: se encuentran los valores de las alturas de agua interpolandolinealmente, a partir de los valores de las alturas de: aguas arriba del vertedero deldesripiador y el calado del canal de conduccin.

En la columna 6: se calcula las pendientes de los taludes, con la expresin:

En la columna 7: se realiza la determinacin del rea con la expresin que correspondeal rea de un trapecio, que es la semisuma de las bases, multiplicado por la altura.

En la columna 8: se determina la velocidad mediante el cociente del caudal de diseo(1 m3/seg) para el rea determinada en la columna 7.


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En la columna 9: se utiliza la expresin para el clculo del descenso de la superficielibre detallada con anterioridad, en la seccin de expresiones utilizadas para el calculo,

P Sf Sfm hfCota deFondo

cota desuperficie

libre

6,2307 0,00028889 100,0000 101,2455

6,1629 0,00029083 0,00028986 0,00028986 100,0037 101,2451

5,9755 0,00029534 0,00029308 0,00058294 100,0072 101,2446

5,6807 0,00030397 0,00029965 0,00088259 100,0105 101,2439

5,2905 0,00031949 0,00031173 0,00119432 100,0135 101,2429

4,8035 0,00034641 0,00033295 0,00152727 100,0158 101,2411

4,2569 0,00037754 0,00036198 0,00188925 100,0109 101,2322

3,9103 0,00042406 0,0004008 0,00229005 100,0176 101,2350

3,7022 0,00047775 0,00045091 0,00274095 100,0177 101,2310

3,5138 0,00050809 0,00049292 0,00323388 100,0181 101,2274

3,4450 0,00052001 0,00051405 0,00374793 100,0203 101,2255Tabla 2 Transicin

En la columna 1: se determina el permetro mojado de cada seccin o estacin de latransicin, mediante la expresin:

En la columna 2: se determina las prdidas por friccin, mediante la expresin que sederiva de la ecuacin de Manning para la velocidad, que se detallo con anterioridad, enla seccin de expresiones utilizadas para el clculo.

En la columna 3: se determina el promedio de cada dos trminos de la columnaanterior.

En la columna 4: corresponde a la sumatoria de las prdidas, acumulando as losvalores de la columna anterior.

En la columna 5: se encuentra los valores correspondientes a la cota de fondo paracada estacin, que se encuentra con la expresin detallada en la seccin anterior que esde expresiones utilizadas para el clculo.

En la columna 6: se encuentra con la suma de la cota de fondo ms el calado de latransicin en cada seccin, y corresponde al valor de la cota de la superficie libre.


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A continuacin presento un grfico realizado con la ayuda de la hoja electrnicade los perfiles del fondo y la superficie libre de agua.

Como podemos observar la variacin del fondo es ascendente, lo que nos ayudaa concluir que esto se debe a que al variar de una altura alta a una ms baja sedebe disipar la energa generndose as una variacin ascendente en la cota defondo.

A continuacin expongo un grfico de la variacin en planta de4 la forma de latransicin, graficado con la ayuda de la hoja electrnica:

99.9000100.0000100.1000100.2000100.3000100.4000100.5000100.6000100.7000100.8000100.9000101.0000

101.1000101.2000101.3000101.4000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

f

superficie

-5.00

-4.00

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

0 2 4 6 8

base 1

base 2

a c superficial 1

a c superficial 2


18/31

18

Controlde la Crecida

Porla seguridad que requiere el canal, toda toma debe disearse de tal manera que seacapaz de permitir por s sola el paso de la creciente mxima sin sufrir ningn dao.

Estando calculadas las obras de captaci n para el estiaje, quedan determinados las cotasy los anchos de todos los vertederos y canales, luego se procede a comprobarlos niveles

para una creciente.

Se acepta que en creciente el canaltrabajar con una cierta sobrecarga, entre el 10 % yel 20 % del caudal de diseo y se calcula el calado correspondiente.

Sumando todas las prdidas de carga que se producen en la obra de captaci n se puedenencontrarla carga de agua que pasar sobre el azud porlo tanto Q1 que pasa sobre ste.

A base de estudios hidrol gicos se obtiene Q2(recida) y se lo compara con Q1:

Q2 (crecida) menor que Q1 el porcentaje de exceso de caudal es demasiado alto y lacantidad que entra al canal es menor que la asumida.

Q2 (crecida) mayor que Q1 la regulaci n proporcionada porla compuerta y las rejillas esinsuficiente y en el canal entra un caudal mayor que el admisible.

Debe entonces buscarse una regulaci n adicional que puede ser un vertedero de excesossituado en una pared entre la compuerta de admisi n.

De todos modos hay que comprobar que en poca de creciente la cota del ro bajo elazud sea menor que la cota del vertedero, caso contrario el agua en vez de salir hacia elro ingresar a la conducci n.

De ser este el caso, las estructuras de regulaci n deben trasladarse a lo largo del canal afin de obtener una cota suficiente.

Datos:

Caudal de dise o: Q=1m3/s

Incremento de Q: 20

Caudal con crecida: Q=1,2m3/s


19/31

19

Con el caudal incrementado en un 20% se procede al clculo de todos los elementos delsistema de captacin para garantizar su correcto funcionamiento ante una crecida.

A continuacin presento las tablas de clculos de los elementos de la captacin con elcaudal mayorado:

Clculo del calado de la Conduccin:

Caudal Mayorado 20% Qcon (m3/s) 1,2000

Conduccin

Base Canal b canal (m) 0,75

Pendiente Canal So 0,0002

n Manning n 0,014

Pendiente talud Z 0,5

Permetro mojado P (m) 3,72

rea flujo A (m2) 1,8746

Altura Nominal y (m) 1,3265

Ecuacin de Manning tol 0,0000

Para el clculo del calado se utilizo el componen de la hoja electrnica antesmencionado (SOLVER), igualando la expresin derivada de la expresin de manning

para la velocidad a cero, la expresin se presenta a continuacin:

Clculo de la altura de agua antes de la compuerta:

Compuerta

Abertura a (m) 1,2052

Altura de Agua H(comp) (m) 1,3480

Relacin Abertura/Altura a/H 0,8941

Coeficiente de Velocidad Cv 0,96

Coeficiente de Contraccin Cc 0,7812

Ecu. Compuerta Sumergida tol 0,0000

rea flujo A (m2) 1,6302

Para esta tabla realizada para el clculo del agua antes de la compuerta de laconduccin, en la abertura de la compuerta (a) se coloca el valor del calado determinacon el caudal de diseo, el rea de flujo corresponde a la seccin que est conformadacon la altura de agua que deseamos encontrar antes de la compuerta. Para encontrar el

3/2

2/13/5

**PN

SA o!


20/31

20

valor de Cc y la altura de agua antes de la compuerta se utilizan las siguientesexpresiones, correspondientes a la ecuacin que rige a una compuerta sumergida, y a lacorrespondiente al coeficiente de contraccin:

Calculo de la altura de agua al inicio de la transicin:

Posteriormente se procede al clculo de la altura al inicio de la trancisin en situacin

de creciente, mediante la ecuacin de conservacin de energa que se xpone a

continuacin:

A continuacin se coloca una tabla con los clculos y resultados de la altura de agua lainicio de la transicin:

Transicin

Diferencia de Cotas delta z (m) 0,0203Base al Inicio de la Transicin b(ini) (m) 3,74

Altura al Inicio de la Transicin y(tr) (m) 1,3499

Ecuacin de la Energa tol 0,0000

En clculo se realizo de igual manera con el componente (SOLVER), la base al iniciode la transicin corresponde a la base del vertedero del desripiador y la diferencia decotas es la diferencia entre la cota de fondo de la estacin 10 y la estacin 1correspondientes al clculo de la transicin.

Clculo de la altura de agua sobre el vertedero del desripiador:

Para el clculo se utiliza las expresiones para un vertedero rectangular sumergido yotras expresiones para determinar los diferentes componentes de la ecuacin delvertedero:

hHgbaCCQocv! **2****

62,0*245,074,3

!

H

aCc

95,01,0 eeH

a

gHHo

*2

2

0!

RAhg

vh

g

vPaH !

*2*2

22

0

2

Ao

HaPB

Qv

!

1*


21/31

21

En la siguiente tabla se coloca los clculos y resultados del clculo de la altura de aguasobre el vertedero del desripiador:

Vertedero

Altura umbral P3 (m) 0,80

Carga sobre el vertedero Hv (m) 0,7172

H-z 0,6999

Coeficiente de sumersin S 0,2778

Coeficiente de gasto Co 0,6696

Ancho Vertedero Desrip. bv (m) 3,74Nmero de contracciones n 2

Ecu. Vertedero Sumergido tol 0,000

Altura sobre el Desripiador y(drip) (m) 1,5127

Los clculos se realizaron con SOLVER. Cabe decir que tanto el ancho de vertederocomo el alto del umbral P3 son calculados con anterioridad con el caudal de diseo.

Clculo de la altura de agua sobre el Azud (Ha):

Para el clculo de esta altura se utilizan las siguientes expresiones:

A continuacin presento una tabla con los clculos y el resultado de la determinacin dela altura de agua sobre el Azud:

!R

o

AhhPa

g

vHgv

2

2

2*2

ROAefeccv hhPaHgabCCQ ! 2*2****

g

vPahh

gabCC

QH o

R

efeccv

A22

1*

***

2

2

2

!

g

vh RR

2*

2

!

2

45,045,1

!

ag

an

ag

ankr

74,3

*245,062,0

!

A

cHa

aC


22/31

22

Rejilla

Ancho bruto B (m) 5,64

Ancho neto b (m) 3,14

Alto de la rejilla ar (m) 0,45

Altura umbral aguas arriba P1 (m) 0,80

Coeficiente de Velocidad Cv 0,96Altura de Agua antes de la Rejilla H(rej) (m) 1,5976

Altura de Agua sobre la Rejilla hA (m) 0,45

Relacin Abertura/Altura a/H 1,0000

Coeficiente de Contraccin Cc 0,8650

Altura de Velocidad hv (m) 0,0009

Factor de rozamiento Kr 0,8891

Prdidas por la Rejilla hR (m) 0,0326

Diferencia de Alturas z (m) 0,0849

Altura sobre el Azud HA (m) 0,3476

Ecu. Orificio Sumergido tol 0,000

Como podemos observar en los clculos presentados en la tabla anterior se presentandatos de la rejilla obtenidos con la influencia del caudal de diseo, y a partir de estosvalores y las expresiones antes colocadas se procede al clculo de la altura sobre elazud, que se marcada con color de letra rojo.

Luego de esto se procede a calcula el caudal que pasa sobre el dique-vertedero (Azud),mediante las siguientes expresiones:

2/30

MBHQ !

A continuacin presento la tabla de clculo y resultados del caudal que pasa sobre leAzud:

Azud

Caudal de Crecida Qcr (m3/s) 50,00

Carga total sobre la Cresta Ho (m) 0,4237

Coeficiente de Descarga Variable Co 2,2000

Ancho del Azud baz (m) 25,00

Caudal del Azud Qaz (m3/s) 15,1680

Qt (m3/s) 16,3680

Comprobacin de Caudal Qt < Qcr Vertedero de Excesos

El valor del coeficiente Co, es impuesto de 2,2, que es un valor bastante aproximado aldeterminado a travs de las tablas.

HaPbvQ

Vo

!

g

VoHaHo

2

2

!


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23

El valor de Qt es el resultado de la suma entre el caudal del Azud y el caudal quemayorado en un 20% que entra por la rejilla.

El caudal de crecida par el que se debe controlar el sistema es de 50 m3/seg y si elcaudal que total es menor a este valor se requiere el diseo de un vertedero de excesos.

El ancho de la base del azud se toma de los planos de la zona que fue asignada para

colocar la captacin.Diseo del vertedero de excesos

Para el diseo del vertedero de excesos primero se determina el alto del umbral que esigual a la altura antes del vertedero del desripiador menos el alto de la reja y menos elumbral del vertedero del desripiador. Luego el ancho del vertedero de excesoscorresponde a la longitud del desripiador, calculado con anterioridad con influencia delcaudal de diseo, para este caso se aumento 50 cm al largo par que el vertedero deexcesos pueda cumplir con su funcin de contrarrestar la crecida.

Luego de determinar las dimensiones del vertedero de excesos se encuentra el caudal

que puede desalojar el mismo, y esto sumado al caudal mayorado que va a ingresar porla reja de entrada, conforman el caudal de admisin. Con este caudal de admisin setiene que volver a calcular una carga de agua (Ha) sobre el Azud, y volver a calcular unnuevo caudal que pasara sobre el Azud, la suma este nuevo caudal determinado y delcaudal de admisin determinado con anterioridad debe ser mayor o igual al caudal decrecida, con esto se ha controlado una posible crecida del caudal del ro, sino se cumpleesta condicin se recomienda aumentar el ancho del vertedero de excesos.

A continuacin presento la tabla de clculos y resultados del diseo del vertedero deexcesos para el control del rgimen de crecida:

Vertedero de excesos

Coeficiente de Kindsvater y Karter Co 0,620065034

Altura sobre el Vertedero Hv (m) 0,3000

Ancho del Vertedero Bv (m) 5,0000

Caudal del Vertedero de Escesos Qv (m) 1,4863

Caudal de Admisin Qad 2,6863

Velocidad V 1,8992

hr hr 0,1635

hv hv 0,0045

a/H 0,3250

cc 0,6237

ecuacin 0,0000diferencia de alturas z 0,6718

ht ht 2,1845

a HA 0,9345

Q 49,6825

Suma del Caudal Azud + Admisin Qt (m3/s) 52,0000

Comprobacin de Longitud Qt < Qcr Longitud Suficiente


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24

Diseo del Colchn amortiguador del AzudPara evitar la erosin o socavacin del cauce y asegurar la integridad del azud se

protege un tramo de cauce aguas abajo por medio de un zampeado que disipa la

energa y el agua llega a bajas velocidades al cauce no protegido.

La disipacin de la energa se consigue con la formacin de un resalto hidrulico, como

consecuencia la alta velocidad al pie del azud se reduce a una velocidad que no cause

dao.

Para el diseo del colchn amortiguador del azud, tenemos que primero determinar la

carga de agua sobre el azud (Ho), los clculos para la determinacin de la carga de

agua se presentan a continuacin, las expresiones requeridas para este clculo se

detallaron en la seccin de control de crecida, en la seccin que corresponda a la

determinacin de la carga sobre el Azud.

Diseo del Azud

Caudal de diseo (Azud) Qaz (m3/s) 48,80Altura del paramento PA (m) 1,25

Ancho del sitio de captacin (ro) b(rio) (m) 25,00

Ancho de compuerta de Purga b(comp) (m) 1,00

Ancho de escala de peces b(esc) (m) 0,60

Ancho del Azud b(az) (m) 23,40

Vertedero de Cimacio


Relacin Paramento/Carga total PA/Ho 1,2788

Coeficiente de Descarga Variable Co 2,1580

Carga de agua sobre la Cresta Ha (m) 0,9308

Ecuacin de vertdero de Cimacio Tol 0,00

Velocidad de aproximacin vo (m/s) 0,9563

Energa de velocidad hv (m) 0,0466

Relacin En. Vel./Carga total hv/Ho 0,0477

Al ancho del ro que se considero para el control de crecida se le tiene que restar el

ancho de la compuerta de purga que es recomendado de 1 m , el ancho de la escala de

peces que es recomendada entre 60 7 70 cms y as obtenemos un nuevo ancho del

azud. El valor de Co para este caso se obtiene mediante una ecuacin que es una muy

buena aproximacin de las tablas para determinar el coeficiente de descarga variable,

la ecuacin se expone a continuacin:

? A

!

2

/000038.0/018493.0001929.0

/ln*552.0

HoPaHoPa

HoPaCo


25/31

25

Ya encontrado el valor de la carga de agua sobre el Azud se procede a determinar la

longitud del colchn amortiguador, los clculos y resultados se presentan a

continuacin:

Disipacin de EnergaRo Aguas Abajo

Ancho del sitio de captacin (ro) b(rio) (m) 24,00

Rugosidad de Manning n 0,03

Pendiente del Canal So 0,002

Pendiente lateral del ro m 0,5Permetro mojado P (m) 26,3401

Area flujo A (m2) 25,6639

Altura de flujo en el ro y(rio) (m) 1,0465

Ecuacin de Manning tol 0,00

Colchn de Amortiguamiento

Altura del paramento PA (m) 1,25

Carga de agua sobre la Cresta HA (m) 0,9308


Energa de velocidad hv (m) 0,0466

Ancho del Azud b(az) (m) 23,40Coeficiente de Prdidas k con comp. 0,24

k sin comp. 0,12

Profundidad e (m) 1,51

Energa Inicial Total To (m) 3,7382

Altura Flujo Supercrtico y1 (m) 0,2820

Ecuacin de la Energa tol 0,00

Nmero de Froud para y1 Fr1 4,4460

Altura Flujo Subcrtico y2 (m) 1,6378

Altura para nivel 0 y2 real 0,1270

Diferencia de Alturas dif (m) 0,919528162Longitud (Silvester) L1 (m) 9,5932

Longitud (Pavlovski) L3 (m) 7,0744

Longitud (promedio) L prom. (m) 8,3338

Como podemos observar en la tabla lo primero que se debe hacer es la determinacin

del calado del ro, tomando un valor de Manning de 0,03 que es un valor aproximado


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26

para un ro tipo el Tomebamba, a la pendientese le asigna un valor bajo yaque la zona

decaptacin debeser aproximadamente horizontal, y la pendiente lateral se aproximo

de acuerdo a la variacin de lascurvas de nivel graficadascerca a la orilla.

Luego se procede al clculo del colchn amortiguador con lassiguientesexpresiones:

Si (yr +e es mayor a y2, secalcula la longitud de zampeado ya que de lo contrario seproducir erosin aguas abajo en las orillas del ro. Si esta condicin no cumple se

requiere profundizar el fondo (e ya hora secalcula y1con la siguienteexpresin:

Luego de hacer cumplir la condicin mencionada anteriormente tal que se evite la

erosin aguas abajo, se encuentra la longitud del colchn amortiguador con las

siguientesecuaciones:

Segn Pavlos i:

1

9.15. yyLL rz !!

Donde:

3gA

TQFr! 2*811

2

12 Fr

yy !

e


27/31

27

Lz : Longitud del zampeado (m)

Lr : Longitud del resalto (m)

y1, y2: Alturasconjugadas (m) Tambin se aplicar la frmula:

Segn Silvester

Posteriormenteseescogerel promedio deestas dos longitudes.

Perfildel AzudDatos:Caudal decreciente: Qcr=300m3/s

Altura del azud: P=2,3m

Ancho del ro: bv=50m

Para determinar el perfil del azud nosvamos a basar en las tablas de funcionamiento

hidrulico de lasestructuras decontrol.

Ecuacin para dar forma al perfil:

H=Ha

K y n coeficientes obtenidos de lascurvas

Para hallar lascargassobreel azud yel coeficiente C utilizamos las frmula

Donde:

C lculode Ha , Ho , y de Cpara lo cualse comienza imponiendo el valor de C=2,2

g = 9,81 m^2/s

C = 2,2

n

Ho

xk

Ho

y

!

!

g

VoHaCbvQ

2

2

HaPbvQ

Vo

!

g

VoHaHo

2

2

!

!

Ho

PCC

01,11 11**75.9. ! Fryresaltolong


28/31

28

Vo = 1,0280 m/s

hv

=Vo^2/2g 0,0539

Ha = 1,489 m

Ho = 1,543 m

hv/Ho = 0,035

P/Ho = 1,491

Ecuacin (0) 0,0000000

Se sigue iterando hasta que tenga una tolerancia mnima y el valor de C no vare

mucho y se proceda a sacar los valores de los otros coeficientes para determinar el

perfil del azud.

Iteracin

Vo = 2,234

hv

=Vo^2/2g 0,254

H

a = 1,790Ho = 2,044

hv/Ho = 0,124

P/Ho = 1,174

Ecuacin

(0) 0,00000

Segn tablas saco el valor de k , n , xc , yc , R1, R2

Para hv/Ho = 0,124

Tabla 187 k = 0,506k(Ho/Ho^n)= 0,2795

Tabla 187 n = 1,83

La ecuacin para calcular el perfil es:

Para hv/Ho = 0,124

Tabla 187 xc/Ho = 0,2151

Tabla 187 yc/Ho = 0,0725

Tabla 187 R1/Ho = 0,453

Tabla 187 R2/Ho = 0,202

Perfil del Azud

X

0 0,000000

83.12795.0 xy !


29/31

29

0,2 0,014701

0,4 0,052266

0,6 0,109766

0,8 0,185826

1 0,279545

1,2 0,390259

1,4 0,517447

1,6 0,660680

1,8 0,819596

2 0,993885

2,2 1,183273

2,4 1,387516

2,6 1,606396

2,8 1,839715

3 2,087292

3,2 2,348961

3,4 2,624568

Vertedero deexcesosEl

vertedero va a trabajar libre

DATOS:Ancho rio 50 Co' 2,2

Q crecida 300

Alto

verted 1,345

Q crec

canal 0,9936 Carga vert 0,3052

Rejilla: Ancho efec 3,5680 Kr : 0,8970

Ancho 6,4680 Co: 0,6645

0.00

0. 0

0.80

1.20

1. 0

2.00

0 0.2 0. 0. 0.8 1 1.2 1. 1. 1.8 2 2.2 2. 2. 2.8 3

PERFI DE AZUD


30/31

30

bruto

Cv: 0,96

a: 0,60

P1: 1,00

y desp

reja: 1,35

Caudal por el azud

Qa = 294,2839

291,0382

Caudal

total:

Q : 300

RESULTADOS :bv : 12m

Ha : 1,79m

Clculo del ZampeadoV2= 7,89306741

Ecuacin de la energa

Z1 V1

5,299 0

1 V22/(2*g) Ecuacin

1,5435672 3,17859761 0,576835185

Clculo de Y2

Q T A Fr

304,587 23 38,58918011 1,94654262

Vertedero deexcesos:

Ancho (bv) : 12

Caudal Qv : 4,7225

Caudal Qr : 5,7161

Cc: 0,6214

veloci antes

rej:

0,2607

3

2

gA

TQFr!


31/31

Y2=3,546911

L=14,2m

BIBLIOGRAFIA:

LIBRO: AUTOR:

DISEO HIDRAULICO (SEGUNDA EDICION) SVIATOSLAV KROCHIN

OBRAS HIDRAULICAS JOSE ZURITA RUIZ

INTERNET

212

8112

FrY

Y !

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