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UNIDAD 5: DISEÑO DE BOCATOMAS PARTE 1 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

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UNIDAD 5:

DISEÑO DE BOCATOMAS PARTE 1

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

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DISEÑO DE BOCATOMAS - PARTE I

1. ALTERNATIVAS DE UBICACION

2. ALTERNATIVAS DE CAPTACION

3. ALTERNATIVAS DE VENTANAS DE CAPTACION

4. ALTERNATIVAS DE VERTEDERO LATERAL

5. DISEÑO HIDRAULICO

i. Criterios y Consideraciones Generales de diseño

ii. Ancho de Encauzamiento

iii. Ventanas de Captación y Canal de transición.

iv. Barraje y Poza de disipación

v. Zona de limpia Gruesa.

vi. Muros de Encauzamiento lateral y diques

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6. DISEÑO ESTRUCTURAL

i. Criterios y Consideraciones Generales de diseño

ii. Barraje y Pozas de disipación

iii. Muros de Encauzamiento lateral y Diques

iv. Muro divisorio

v. Pantalla Frontal de la Bocal

vi. Pantalla Frontal de la Zona de limpia Gruesa.

vii. Pasarelas de Operación.

viii. Muros y Pilares de la Zona de limpia Gruesa.

DISEÑO DE BOCATOMAS - PARTE II

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DISEÑO DE BOCATOMAS - PARTE I

FASES DE ESTUDIOSEstudios básicos•Cartografía y topografía•Geología y Geotecnia•Hidrología.•Transporte de sedimentosAnálisis Técnico Económico de alternativasDiseño de la Alternativa ÓptimaDiseño HidráulicoEstudio de modelo HidráulicoDiseño EstructuralDiseño HidromecánicoPlanos de Obra.Análisis de riesgosEstudios del Impacto AmbientalEspecificaciones Técnicas para la construcción.Seguridad de Bocatomas Instrumentación y VigilanciaPresupuesto de la Obra.Disposiciones de Operación y Mantenimiento

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1. ALTERNATIVAS DE UBICACION

Los aspectos considerados para el análisis de cada alternativa, los cuales determinarán sus ventajas y desventajas, suelen ser:•La seguridad de las cimentaciones y el lecho del cauce.•La seguridad de captación en estiaje y avenidas.•La seguridad del encauzamiento.•La mínima captación de sedimentos.•La seguridad ante fenómenos de geodinámica externa.•El costo de la obra.•Las facilidades de construcción.

INICIO TUNEL KM 2+800

DESARENADOR KM 2+592

BOCATOMACOTA 332

Alternativa 1. COTA 332

Alternativa 1. COTA 332

BOCATOMA 332

ALTERNATIVA 3COTA 412

INICIO DE TUNEL

QUEBRADA ACTIVA

Alternativa 3 COTA 412

Alternativa 3 canal aductor

BOCATOMA CHAVIMOCHIC 412

COSTO DE CONSTRUCCION : US $ 45 MILLONES DE DOLARESCOSTOS OPE y MAN : S/5´000,000 Nuevos Soles AnualMANTTO 2010- 2011 : S/ 54´000,000 Nuevos Soles

BOCATOMA CHAVIMOCHIC 412

BOCATOMA CONDORCERRO 412

BOCATOMA CONDORCERRO 412

Captación para CHINECAS

BOCATOMA COTA 412

Quebrada Sin Nombre

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2. ALTERNATIVAS DE CAPTACION

El objeto de esta estructura es captar en forma controlada el caudal líquido necesario y un mínimo de ingreso de sedimentos, bajo todas las condiciones de disponibilidad de agua en la fuente de agua y la carga de agua.Debe presentarse en las condiciones extremas la mínima pérdida de carga, la zona de transición debe permitir la conformación de un flujo adecuado para el control de los sedimentos gruesos que logren pasar la rejilla de captación, decantando hasta el tamaño de las gravas, que serán eliminados por el desgravador.•Ventanas de captación. Trabaja como orificio sumergido en máximas y como vertedero en mínimos. El área de las ventanas de captación y su geometría están íntimamente ligadas a la cota de la cresta del barraje que controla el nivel del agua en el río.•Vertedero lateral. El vertedero es de cresta ancha redondeada. El ingreso de material flotante se controla con rejillas que impiden el ingreso de sedimentos gruesos de diámetro especificado.•Captación de fondo. Usado en ríos con escaso transporte de sedimentos, como en la cuenca alta, para captar caudales pequeño, usualmente integrado al cuerpo del barraje que controla el nivel de agua en la zona de captación.Fundamentos hidráulicos a evaluar:•Conservación de la masa.•Conservación de la cantidad de movimiento.•Conservación de la Energía específica.

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3. ALTERNATIVAS DE VENTANAS DE CAPTACION

Para las condiciones de flujo Normal se debe cumplir la Formula de Manning.Q= A. RH2/3.S1/2 .η-1.

Principio de continuidad.Q=Y1.V1.B1 = Y2.V2.B2= Yn.Vn.Bn

Principio de cantidad de movimiento.B1(ϒY2

2/2 – ϒY12/2)= Qρ.(V1-V2)

Principio de conservación de la energía específicaEn+1=En + hf n+1-n

En=Y1.+ V12/2g + Z1

Altura de los muros de transición, pantalla frontal, muros del canal de transición.Para el caudal de diseño de Máxima avenida con un periodo de retorno de 100 a 500 años, debe pasar por el Barraje Fijo, se tiene la siguiente carga:

H=(Q/CL)2/3

C= 2.1 para vertedero con perfil tipo Creager.La cota de la cresta de barraje, es igual a la suma del umbral de las compuertas de regulación (p), altura de ventanas de captación, (d) y una carga de seguridad de 0,1 m.

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2. ALTERNATIVAS DE CAPTACION

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2. ALTERNATIVAS DE CAPTACION

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3. ALTERNATIVAS DE VENTANAS DE CAPTACION

La cota del nivel de máxima es igual a la suma de cota de la cresta del barraje y la carga sobre el vertedero para el paso de la avenida de diseño.El caudal que ingresa a través de las ventanas de captación se asume como orificio sumergido y se usarán rejillas para el control de los sedimentos.

Q=CA1(2gΔh1)1/2

Donde:A1= Área neta de ventanasC= 0,61 Coeficiente de gasto en orificios sumergidos.

Q2=Cab.(2g Δh1)1/2

Donde:C=Ke (Sviatoslow Krochin) Coeficiente de gasto en compuertasK=0,96e=0,629, para HC/Hm=0,375a=HC= altura de la compuerta.b=ancho total de compuertasHm= altura de agua aguas arriba de la compuerta de ingreso.Yn= altura de agua aguas debajo de la compuerta de ingreso.En condiciones de flujo permanente por el principio de continuidadQ1=Q2

Yi=Cota del nivel de máximas - Δh1- Δh2 = Yn

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4. ALTERNATIVAS DE VERTEDERO LATERAL

La alternativa consiste en una captación a través de un vertedero de cresta ancha redondeada, el canal de transición tiene un canal desgravador para la eliminación de material grueso y se tiene una compuerta de ingreso antes de ingresar al canal de derivación. Con rejillas se eliminan los materiales flotantes. El ancho del vertedor define las dimensiones del canal de transición.Q= C.L.H3/2

Donde:C= coeficiente de descarga = 1,55L= longitud del vertederoH= carga de agua.Principio de conservación de la energía específicaE2=E1 + hf 2-1

E1=Y1.+ V12/2g + Z1

Donde:hf 2-1= Perdida de carga entre las secciones 2-1= (1+C).(V1

2-V22)/2g

C= 0,1 para transiciones curvas.E2=Y2.+ V2

2/2g + Z2

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5. DISEÑO HIDRAULICO

i. Criterios y Consideraciones Generales de diseñoEl diseño hidráulico de la estructura de captación se basa en el comportamiento del agua, ya se encuentre en reposo o en movimiento. La estructura de captación está constituida por los siguientes componentes:•Barraje Fijo y poza disipadora.•Barraje móvil y poza disipadora.•Compuertas de limpia gruesa-despedradoras.•Bocal de captación o ventanas de captación.•Canal desgravador y Compuertas desgravadoras•Canal de transición y Compuertas de regulación al ingreso al canal de derivación.•Canal de derivación•Muro deflector frontal.•Muros de encauzamiento.•Diques laterales

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5. DISEÑO HIDRAULICO

i. Criterios y Consideraciones Generales de diseño

Se ha considerado que el diseño hidráulico debe satisfacer lo siguiente:•Estabilidad del cauce al paso de la avenida de diseño.•Asegurar permanentemente el caudal de ingreso de diseño y consecuentemente de un nivel de agua sobre la bocal de captación.•Captar lo mínimo de sólidos.•Proveer un sistema de compuertas que eviten la sedimentación de sólidos y material flotante frente a la bocal.•Un barraje móvil para el control del flujo y de la carga de agua sobre las ventanas de captación.

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5. DISEÑO HIDRAULICO

ii. Ancho de EncauzamientoEn base al criterio de estabilidad del cauce al paso de la máxima avenida de diseño, se determina el ancho de encauzamiento (B).Se dispone para ello de las siguientes formulas empíricas:•Formula de Blench.

B=1,81. (Q.Fb/Fs)1/2

Donde:Fb= factor de orilla(suelto 0,1; ligeramente cohesivo 0,2; cohesivo 0,3)Fs= factor de fondo( grueso 1,20 y fino 0,8 ).

•Fórmula de Altunin.B=A.Q0,5/S0,2

Donde :A=parámetro que caracteriza al cauce= 0,5 zona de alta montaña, rocoso.=0,75 zona de montaña, boleos. Corriente rápida=0,5 zona de faldas de montaña. Corriente tranquila=1,0 zona intermedia, arena gruesa, media y fina, corriente tranquila.=1,1 zona de planicie, rio caudaloso=1,3 zona de planicie, rio poco caudaloso

•Fórmula de PetitB= 2,45. Q0,5

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5. DISEÑO HIDRAULICO

Para el calculo de la condiciones hidráulicas en el ancho del encauzamiento, se asume el valor medio del coeficiente η de rugosidad propuesta por Manning, para un flujo normal. Siguiendo el procedimiento propuesto por Ven Te Chow, el valor medio de coeficiente η de rugosidad de Manning, es la suma de los siguientes conceptos:

1.Valor básico de η.2.Incremento de η por el cambio de dimensiones y forma de la sección transversal.3.Incremento de η por grado de irregularidad.4.Incremento de η por obstrucciones formadas por arrastres.5.Incremento de η por el efecto de la vegetación.6.Incremento de η por la tortuosidad del cauce.

Se espera que la presencia de la estructura active cambios fluviomorfológicos de importancia, activando procesos de erosión aguas abajo del barraje y sedimentación aguas arriba del barraje.

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5. DISEÑO HIDRAULICO

Para la evacuación de la máxima avenida se considerado un barraje fijo y otro móvil, la combinación de ambas, permitirán el tránsito de la avenida siendo de importancia determinar sus dimensiones y que parte de la avenida transitará por cada una de estas estructuras.El ancho total de encauzamiento se asignará:•Barraje Fijo•Barraje móvil•Zona de limpia En estructuras de gran importancia los anchos de los barrajes fijo y móvil, se determinan con modelos hidráulicos, para una mayor precisión, en vista de la incertitumbre de la distribución de caudales para flujos súper crítico.La capacidad de evacuación del barraje Fijo obedece al principio vertedor (Q= C.L.H3/2) y el Barraje móvil obedece a flujo por orificios sumergidos (Q=CA(2gΔh)1/2), unitariamente la segunda es significativamente mayor

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iii. Ventanas de Captación y Canal de transiciónSe cumple con la condición de captación en estiaje, y la altura del dintel de la ventana de captación para que no ingresen los sólidos que se transportan por la modalidad de saltación.La altura de la ventana de captación se define con la cota de fondo del canal de derivación y el tirante de agua para el caudal de diseño. El cálculo se realiza hacia aguas arriba hasta la Bocal de captación, aplicando los principios de continuidad, conservación de la energía específica y conservación de la cantidad de movimiento, relacionando las secciones dos a dos.Las ventanas de captación están elevadas con respecto al fondo del cauce, para impedir el ingreso de sólidos de arrastre y saltación.Conocida la carga de agua en el cauce del río se calcula la altura necesaria del barraje vertedor, para que eleve el nivel del agua hasta 0,1 m sobre la ventana de captación.El caudal de ingreso del canal de transición tendrá una capacidad menor en estiaje y mayor en avenidas, esta diferencia define las alturas de los muros laterales.Las compuertas de regulación, entran en funcionamiento para regular finalmente el caudal de captación y para los cierres de emergencia, deben contar con compuertas alternativas o ataguías de rápida instalación.

5. DISEÑO HIDRAULICO

El Barraje vertedor

Definida al altura del barraje, lo cual altera las condiciones iniciales del cauce, debemos entregar el flujo aguas abajo del barraje, para no activar los procesos erosivos. El Perfil longitudinal nos permite diseñar cada uno de los elementos de esta estructura, que se comporta como una presa derivadora.

Para el perfil del barraje vertedor se dispone del perfil propuesto por Creager y la metodología propuesta por el US ARMY ENGINEERS denominado “Standard Spill Crest”

El Barraje vertedor

El Barraje vertedor

El Barraje vertedor

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Poza disipadora del Barraje

Para el diseño de la poza de disipación se emplea la metodología de secciones de control, entre las cuales deben cumplirse los principios elementales del flujo entre dichas secciones de control :

Principio de continuidad.Q=Y1.V1.B1 = Y2.V2.B2= Yn.Vn.Bn

Principio de la conservación de la energía específica.E2=E1 + hf 2-1

E1=Y1.+ V12/2g + Z1

Principio de la conservación de la cantidad de movimiento.B1(ϒY2

2/2 – ϒY12/2)= Qρ.(V1-V2)

Ecuación del resalto hidráulico, para el cálculo de los tirantes conjugados y la longitud del resalto hidráulico.Las ecuaciones a plantear son menores al número de incógnitas, por eso es conveniente emplear el método de tanteos, asumiendo valores de profundidad de la poza.

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5. DISEÑO HIDRAULICO

iv. Zona de limpia Gruesa.La Carga total sobre la compuerta será igual a la carga total en máximas de la carga total sobre el Barraje Vertedor:Qb= C1.L.H0

3/2

C1= 2;1 para perfil tipo Creager

El caudal en la limpia gruesa o Barraje Movil es Qd=N.C2.A.B (2gZ1)1/2

C2= Coeficiente de descarga A= altura de la compuerta.B= ancho de la compuertaZ1=Z-V1

2/2g.

Una práctica es calcular el paso del caudal medio mensual que pase por la zona de limpia gruesa.

Barraje Movil

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Poza Disipadora limpia Gruesa- Barraje Movil

5. DISEÑO HIDRAULICO

•Muros de Encauzamiento lateral y diquesLa altura y longitud de muros de encauzamiento se calcula con la condición de máximas, el barraje eleva un nivel de Hd sobre la cresta del barraje vertedor.La curva de remanso producido aguas arriba, puede calcularse con el método de “The Direct Step Method”, propuesto por Ven Te Chow en “Open Channel Hidraulicas”.Q= caudal máximo o avenida de diseño en m3/s.So= pendiente natural del rio en el perfil longitudinal aguas arriba del barraje.B= ancho del río.Hd= tirante aguas arriba del Barraje. Punto de inicio.Yn= tirante normal del rio antes del remanso. Punto final del remanso.Sf= n2. V2/ R4/3

E= y + V2/2gΔx= ΔE/(So- Sf)

5. DISEÑO HIDRAULICO

5. DISEÑO HIDRAULICO