Diseno de Bocatoma 03

DISEÑO DE ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN

PROYECTO : "MEJORAMIENTO SISTEMA DE RIEGO HUASMIN - EL BALCON"

SOLICITANTE : MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE CELENDIN FECHA : ABRIL 2013

DISEÑO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN

ho = 3 Øm + b.l. , altura del umbral del orificio

donde:Øm = Diámetro medio de los sedimentos mas gruesosb.l. = Borde libre ≈ 0.10 m

condición: 0.2 m < ho < 1.0 m

Øm = 0.05 m

b.l. = 0.10 m => ho = 0.25 m . . . Verificar la Altura 0.40 m

Por Forcheimer: Caudal de captación a través de la ventanaCorona ancha 0.49 0.51

Q cap = 2

3Corona ancha redondeada 0.5 0.55

donde:Canto afilado 0.62 0.64

μ = Coef. del vertedo según la forma de la cresta L = Long. de la ventana de captación

Cima redondeada 0.79 h = Altura de la carga sobre el vertedero de la ventana

Tipo creager 0.75Q cap = 1.50 m³/seg

μ = 0.79

L = 1.95 m => h = 0.477 m . . . incluiremos 0.025 m de corrección por obstrucción = 0.50 m

Utilizaremos:

L = 1.95 m

h = 0.50 m

La ventana en una estructura de captación, tiene la función de captar el caudal a utilizar, además ésta trabaja en epocas de estiaje como vertedero y la carga necesaria la produce el remanso generado por el azud, y en epoca de crecidas como orificio, también se debe tener en cuenta que las rejillas de entrada ocacionan pérdidas en el gasto que se deben tener en consideración.

I. Cálculo de la Altura del Umbral del Orificio

II. Cálculo de la Ventana de Captación como Vertedero

μ L √ 2 g h3

como valores para el predimensionamiento de la ventana

h

L




En condiciones extremas (caudal de avenida) la ventana de captación se comporta como orificio de descarga sumergida

e n = espacio entre barras = 0.10 me g = espacio entre barras medias = 0.120 m

Determinaremos el num. de barras: Nº de barras = 19.00 barras

Pérdida por rejilla: => a n = 0.98 m² a g = 2.12 m² =>

e n/e g = 0.83 a n/a g = 0.46 K t = 1.03

=> V ing = 1.54 m/seg V n = 1.28 m/seg

Finalmente: h r = 0.086 m . . . pérdida de carga por rejilla

Q cap = 1.50 m³/seg Caudal de captación por la ventanaho = 0.40 m Altura del umbral de la ventana de captaciónh = 0.50 m Altura de la ventana de captaciónL = 2.30 m Largo de la ventana de captaciónB.L. = 0.10 m Borde libre sobre la ventana de captación

h r = 0.086 m Pérdida de carga por la rejilla en la ventana

III. Cálculo de las pérdidas por Rejilla en la Ventana de Captación

IV. Dimensionamiento Final de la Ventana de Captación

en

Q cap.

eg

h

hoQing

0.20

L




DISEÑO DEL BARRAJE

P = ho + h + 0.20 m . . . Altura del Paramento

P = 1.10 m

Q b = 2

3

donde:Q b = Caudal máximo del río => Q b = 25.99 m³/segCd = Coef. de descarga, varia entre 0.61 - 0.75 => Cd = 0.75L = Long. del barraje L = 25.00 mHo = Altura de carga sobre el barraje

=> Ho = 0.604 m => Altura de muros = 1.90 m

Pendiente Aguas Arriba K n

Talud Vertical 2 1.851 H : 3 V 1.936 1.836

donde: 2 H : 3 V 1.939 1.810n, K dependen del talud del paramento aguas arriba. 3 H : 3 V 1.873 1.776

x 0.05 m 0.15 m 0.25 m 0.35 m 0.45 m 0.55 m 0.65 m 0.75 m 0.85 m 0.95 m 1.05 m 1.15 m 1.25 m 1.35 my 0.00 m -0.02 m -0.06 m -0.11 m -0.18 m -0.25 m -0.35 m -0.45 m -0.57 m -0.70 m -0.84 m -0.99 m -1.16 m -1.34 m

Existen diferentes tipos de barrajes, la elección entre barraje fijo, movil o mixto, está sujeto al comportamiento del río durante la época de avenida. Si el nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo aumenta y puede causar inundaciones entonces será necesario aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel del agua sin causar problemas de inundación.

I. Cálculo de la Altura del Barraje Vertedero

II. Cálculo de la Altura de Carga sobre el Barraje

Cd √2 g L Ho 3/2

III. Determinación del Perfil del Barraje

La forma ideal es la del perfil de la superficie inferior de la napa aireada del escurrimiento sobre un vertedero de cresta afilada, el cual se conoce con el nombre de Perfil Creager.

Y=-X^n/(K 〖Ho〗^(n-1) )




determinamos el punto de tangencia para abandonar el Perfil Creager

x t = 0.483 m => y t = -0.80 m

DISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA

V cl = 1.5 c √ d Velocidad requerida para iniciar el arrastre

donde: => Material c

c = Coef. en función del tipo de material de arrastre Arena y grava redondeada 3.2d = Diámetro del grano mayor a ser arrastrado (m) Sección cuadrada 3.9

Mezcla de grava y arena 4.5 3.5

=> c = 4.5

d = 0.08 m => V cl = 1.85 m/seg

Según A. Mansen B = Q cl . . . Ancho del Canal de Limpia (m)q

q = . . .

g

Es una estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, arrastrando el material que se acumula delante de la ventana de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

I. Cálculo de la Velocidad de arrastre en el Canal de Limpia

II. Ancho del Canal de Limpia

V 3 cl Caudal unitario (m2/seg.)

0.00 m 0.20 m 0.40 m 0.60 m 0.80 m 1.00 m 1.20 m 1.40 m 1.60 m

-1.60 m

-1.40 m

-1.20 m

-1.00 m

-0.80 m

-0.60 m

-0.40 m

-0.20 m

0.00 m




donde:Q cl = Caudal que pasa por el canal de limpia, como minimo = 2 Q cap, o el caudal medio del río

Velocidad en el canal de limpia, se recomienda que esté entre 1.5 m/seg. a 3 m/seg.

=> q = 0.64 m²/seg => Q cl = 1.29 m³/seg

B = 2.00 m , Asumimos: B = 2.00 m

Es recomendable que el canal de limpia tenga un pendiente que genere la velocidad de limpia.

Sc = . . . Pendiente crítica

donde:

q = => q = 0.64 m²/seg

n = Coef. de Manning n = 0.014

=> Sc = 0.0027 Como es una pendiente muy suave utilizaremos: Sc = 0.003

DISEÑO DEL COLCHÓN DISIPADOR

V3 cl =

III. Pendiente del Canal de Limpia

n 2 g 10/9

q 2/9

Caudal unitario (m2/seg.)

Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un imcremento de energía potencial que se transforma en energía cinética al momento de verter el agua por encima del barraje. Se construyen estructuras de disipación aguas abajo del barraje, con el objeto de formar un salto hidráulico, para disipar la energía cinética ganada.




Aplicamos balance de energía entre 0 y 1: Eo = E1 + hf o -1

donde:Co = Cota del terreno al pie del paramento aguas arribaC1 = Cota del colchón disipadorP = Altura del paramentoHo = Altura de carga sobre el barrajed1 = Tirante conjugado menor

hf o -1 =

Vo = Velocidad de llegada o de aproximaciónV1 = Velocidad en el pie del barrajeq = Gasto unitario sobre el barrajeQ = Caudal sobre el barrajeL = Long. del barraje

Se tendrán las siguentes consideraciones:

Co - C1 = 0.15 m , además: Vo = ( Q / L ) / ( P + Ho ) => Vo = 0.61 m/seg

Con lo que nos quedará la siguiente ecuación:

Para simplicidad de procesamiento tomaremos:

donde: resolviendo tenemos:

A = 1.00 A = 1.00

B = B = -1.87 d1 = 0.10 m ojo verificar

C = 0.00 C = 0.00

D = D = 0.06

Resolviendo para hallar el tirante conjugado mayor (d2)

d2 = d1 => V1 => V1 = 10.40 m/seg

2 √ g d1

10.50 Flujo supercrítico => d2 = 0.41 m

I. Cálculo del Tirante conjugado menor (d1) y tirante conjugado mayor (d2)

Co + P + Ho + Vo2 / 2g = C1 + d1 +V12 / 2g + 0.1 Vo2 / 2g

Pérdida de carga por fricción entre 0 - 1 ≈ 0.1 Vo2 / 2g

Co - C1 + P + Ho + 0.9 Vo2 / 2g = (Q2 / (2g L2 d12 )) + d1

(Co - C1 + P + Ho + 0.9 Vo2 / 2g) d12 = d13 +(Q2 / (2g L2 ))

A d13 + B d12 + C d1 + D = 0

- (Co - C1 + P + Ho + 0.9 Vo2 / 2g)

(Q2 / 2g L2 )

√ 1 + 8 Fr21 - 1 Fr1 =

Fr1 =




Schoklitsch: L c = 6 (d2 - d1) L c = 1.87 m Promediamos: L c = 3.27 m

Safranez: L c = 6 d1 Fr1 L c = 6.30 m

USBR: L c = 4 d2 L c = 1.64 m Utilizaremos: L c = 3.50 m

DISEÑO DEL ENROCADO DE PROTECCIÓN O ESCOLLERA

L s = 0.6 Cb √ Dl 1.12 √ q Db / Dl - 1 . . . Long. de Escollera recomendad por Bligh

donde:Cb = Coef. de BlihgDl =

Db =

q = Caudal de diseño por unidad de longitud del barraje

II. Cálculo de la Longitud del Colchón Disipador

Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado con el fin de reducir el efecto erosivo y contrarestar el arrastre por acción de filtración.

I. Cálculo de la Longitud de Escollera

Altura comprendida entre el nivel del agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje.

Altura comprendida entre la cota del estremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje.




=> Lecho del cauce Tamaño grano (mm) C (Bligh)

Arena fina y Limo 0.005 a 0.01 18Arena fina 0.1 a 0.25 15Arena Gruesa 0.5 a 1.0 12Gravas y arena 9Boloneria, gravas y arena 4 6Arcilla 6 7

=> Dl = 0.84 m => L s = 2.60 m

Db = 1.25 m

q = 1.04 m²/seg => Asumimos: L s = 2.60 m

Por Meyer - Peter: q = 0.0592 . . . Caudal unitario => Ø =

S 0.0592

donde:

Ø = Diámetro máximo que arrastra (m) => Ø = 0.25 m => Asumimos: Ø = 0.05 m

S = Pendiente del río = 0.08

CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN

Método de Lischtvan - Lebediev

ds = Q A

Be

μ = Coef. de contracción producido por las pilas (μ = 1, si no hay contracciones)Dm = Diámetro medio del material del cauce en mm

Coef. que toma en cuenta el periodo de retorno del Qx = Valor que depende del Dmdm = Tirante medio del caucedo = Tirante normal para avenida de diseñoQ = Caudal de máxima avenidaA = Area para avenida de diseñoBe = Ancho efectivo del cauce

II. Cálculo del Diámetro de la Escollera

Ø 3/2 q S3/2 3/2

α do5/3 1/(x+1) , α = , dm =

0.68 Dm0.28 β dm5/3 μ Be

β =




100 1 0.7750 2 0.8220 5 0.865 20 0.942 50 0.971 100 1.00

0.3 300 1.030.2 500 1.050.1 1000 1.07

=> A = 0.45 m² Be = 2.00 m do = 0.15 m Dm = 150 mm

=> dm = 0.23 m 156.12 m/seg

=> ds = 2.13 m

La socavación es mínima por lo que con fines constructivoos asumiremos un dentellón de: Pd = 0.50 m

Coeficiente β

Probabilidad anual de que se presente el caudal de diseño (%) Periodo de retorno T (años) Coeficiente β

α =

CUADRO COMPARATIVO

DESCRIPCION DATOS OBTENIDOS UNIDADES

DISEÑO DE VENTANA DE CAPTACION

Altura del umbral del orificio 0.4 0.4 mAltura de la carga sobre el vertedero de la ventana 0.5 0.45 mLong. de la ventana de captación 1.95 1.95 mpérdida de carga por rejilla 0.0862909691138665 0.244 mpérdida de carga por contraccion no especifica 0.02 mLargo de la ventana de captación 2.3 2.27 mDISEÑO PRESA DE DERIVACION

Altura del Paramento 1.1 1.05 mAltura de carga sobre el barraje 0.604 0.54 mCarga de velocidad no especifica 0.05 m/segCarga Total sobre la Cresta no especifica 0.59 mLongitud efectiva del barraje no especifica 24.884 mVelocidad de acercamiento no especifica 0.66 m/segCaudal unitario 0.643923398041749 1.04 m3/seg/mAltura totla de caida no especifica 1.99 mTirante antes del resalto hidraulico no especifica 0.27 mTirante aguas abajo del resalte no especifica 0.78 m

Verificacion de Subpresionespresenta

Longitud de la cuenca amortiguadora 3.5 5.7 mCalculo de la curvatura al pie del barraje no especifica 1.12 mLongitud de infiltracion no especifica 6.82 mCoeficiente según el tipo de suelo de cimentacion 4.5 9 adimencionalLongitud total de escollera 2.6 2.14 mDISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA

Dimensiones 2x0.4 0.95x0.97 mPendiente 0.00273269908584001 0.001 1/1000

SEGÚN EXPEDIENTE TECNICO

presenta (requiere del diseño de una cuenca

amortiguadora)

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