MEMORIA TECNICA DISEO DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL
INTRODUCCIONEl 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 la tecnologa 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.
1
CLASIFICACION DE LAS OBRAS HIDRAULICAS. Las obras hidrulicas son
utilizadas para diferentes propsitos entre los cuales tenemos 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 construyen para 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 de embalse y por bombeo. 2.- Obras
de conduccin.- Canales y tneles. acueductos, sifones y rellenos.
Tuberas de presin. Pasos de depresiones como
3.- Obras de proteccin.- Desarenadotes, aliviaderos, desfogues,
disipadores de 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 y utilizada aprovechando
la fuerza de la gravedad es necesario buscar estructuras las cuales
sean capaces de captar la cantidad de agua que se necesita para
satisfacer las demandas, 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 el sitio 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
clasificar en obras de toma por derivacin directa y obras de
almacenamiento. Obras de almacenamiento: se fundamentan en presas
que cierran el cauce de un ro formando un reservorio o embalse en
el mismo. Dicho reservorio ayuda a regular el2
caudal del ro, para su posterior utilizacin. Se realiza un
almacenamiento en pocas de crecientes para la utilizacin en las
pocas de sequa. Obras por derivacin: de manera directa captan el
agua que viene del ro sin realizar ningn almacenamiento es decir no
hay regulacin y aprovecha el caudal del ro para cada 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 y flotante 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 debe
reunir las siguientes caractersticas: 1.- Para asegurar un servicio
ininterrumpido, el caudal del ro debe ser bastante mayor 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 valor mnimo. Estas condiciones se encuentran en ros de
llanura. 2.- El ro debe poseer un cauce estable que se caracterice
por la presencia de orillas firmes a fin de que no se produzcan
derrumbes y erosiones que puedan afectar a las obras de captacin.
3.- Es sumamente difcil impedir el ingreso de sedimentos. Al sacar
el agua lateralmente de un ro, se desarrolla una circulacin
transversal que se caracteriza por un considerable arrastre de los
sedimentos, los cuales se encuentra fuera de proporcin con respecto
al caudal captado. Consecuencia de esto el canal se tapona, su
alineacin se deforma y de no tomarse ciertas medidas correctivas la
entrada del mismo se desplaza aguas abajo del ro. La mayora de las
obras de toma tienen un dique que cierra el cauce del ro y que
eleva el nivel del agua hasta una cota determinada. La toma ms comn
es la que consiste de un dique vertedero que cierra el cauce del ro
y capta las aguas por un orificio o vertedero lateral (rejilla).
DISEO DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL.
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 que funciona 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 toma se 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 la conduccin.3
1. DISEO DE LA REJILLLA DE ENTRADA Su funcin primordial es
impedir que pase hacia el resto de los componentes de la captacin
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 cuales tienen en determinado espesor para que
no sufran deformacin por impacto del material flotante, en general
no pasa de 20 cm. El agua es capta por medio de una reja (orificio
provisto de barrotes de un espesor determinado) que se encuentra en
una de las orillas. El umbral de la reja debe estar a una altura no
menos 0,60 0,80 cm del fondo. En estiaje, el agujero de la reja
funciona como vertedero, la carga necesaria para el vertedero viene
de la retencin de agua generada con la ayuda del azud. El vertedero
trabaja como sumergido con un desnivel pequeo entre las dos
superficies. As mismo, durante las crecientes, cuando baja por el
ro la mayor parte del material flotante, 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 en
direccin paralela a la del ro. Sin embargo es conveniente darle una
pequea inclinacin 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 un vertedero rectangular sumergido como se observa en
la figura, y los clculos se realizaran en base a la siguiente
ecuacin:Q|S n *H 2 3/ 2 2 g Co b c H hr 3 10
Donde Q: es el caudal de diseo Co: el coeficiente de contraccin
S: el coeficiente de sumersin4
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= 0,8
m 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 reja: del ro que es el ngulo entre la
direccin del ro y la normal a la
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 Co ! 0.602 0.075 H P1
5
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: constante para
vertedero n = 3/2 Villamonte rectangular n = 5/2 constante para
vertedero triangular
H z n S ! 1 H
0.385
Realizando las operaciones correspondientes se obtiene :H z a
S
0,45
0,09
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 se6
hr | k R
V2 2g
an an K ! 1.45 0.45 ab ab
1,50
0,6163
2
an b ! ab B
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= Q= H= Co = S=
nc = s= t= n= B= kr = V= hr = b= Ecuacin=0 9,81000 1,00000 0,45000
0,64419 0,61631 2,00000 0,12000 0,10000
25,000005,64322 0,88912 0,70699 0,02265
5,6
3,14322 0,00000
3,1
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. Se procede a determinar el # de
barrotes mediante el empleo la siguiente ecuacin: Ecuacin: n| bs
sb(m) 3,143s(m) 0,12 n 25,19 n
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:
7
! b nt
b(m) 3,143
n
t(m)
B(m)
25,0
0,1
5,643
Resultados: b (m) B (m) n 3,1 5,6 28
2. DISEO DEL DESRIPIADOR El desripiador se encuentra a
continuacin de la reja de entrada, al cual el agua pasa y adems se
quedan las piedras que lograron atravesar la reja de entrada, por
tal motivo la velocidad 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 gradiente
suficiente para conseguir una velocidad de lavado alta y que sea
capaz de arrastrar todas las piedras. Entre la reja de entrada y el
vertedero de salida puede formarse un resalto sumergido y para que
el vertedero funcione de forma normal es conveniente que el ancho
del desripiador 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 las paredes con curvas que converjan hacia la
compuerta del desripiador para que las piedras no se acumulen en
las esquinas. Paso previo al desripiador se debe disear el
vertedero del desripiador, las consideraciones para el diseo de
este elemento hidrulico es mantener la misma carga de agua que se
mantuvo en sobre la reja, ya que luego se puede producir problemas
en el control de crecida.
8
Vertedero del desripiador El vertedero del desripiador se
calculo con la ayuda del complemento de la hoja electrnica
(SOLVER), igualando a cero la ecuacin de un vertedero rectangular
sumergido, 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 Carga sobre el
vertedero Perdidas Coeficiente de sumercin Coeficiente de gasto
Ancho Vertedero Desrip. Nmero de contracciones Ecu. Kindsvater
& Karter Ancho Vert. Desr. definitivo P3 (m) H (m) z (m) S Co
bv (m) n tol bv (m) (0,00) 3,75 0,80 0,45 0,05 0,4770 0,6444 3,7397
2
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 H P1 Vo ! V Vo 2 ! Y1 1 2g 2g V1 ! Q BY12
Q P1 H B
Resolucin de la ecuacin de energa Altura Contrada Y1H (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
9
si Fr < 1 No hay resalto si Fr > 1 Hay resalto y se
encuentra su conjugada
F !
T gA3
2
F =8 18 hay resalto y se calc la la altura conjugada Y2 Obt n in
d l Altu C ti Y2
Condicin: R s lto su
Ya que el desripiador cumple con la condicin de resalto
sumergido, entonces se procede a continuacin al c lculo del resalto
que sumado a la longitud del chorro, corresponde a la longitud
mnima del desripiador.
Para hallar la longitud del resalto se busca la longitud del
resalto y la longitud del chorro y se suma las dos. LDesripiador =
LResalto + LChorro Lon itud del resalto r L R ! y 1 F 1
Sil ester
Coe icientes para vertedero rectangular:
a=9,75 b=1,01 LR=2 592m y=gt2 2, V= V=0,707 m/s
X=V*t,
x!
10
2 3
2
2
y
X=0,323 m
( '
'
Lon itud del chorro Ecuaciones del chorro
)
&
0
#
Lon itud mnima d l Des ipiado
#
"
Y2=0 402 P1+ =1 246 S Y2< 1+H
Y2 !
ido
1
! ! ! % $
Y1 1 1 8 2
2
R
bH
Lon itud del Desripiador=4 863m LD=2,915m LD=3m Lon itud del
Desripiador segn VenTe Chow Se toma = 12.5 esto se ver ms adelante
de donde sale en la transicin
LB 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 puede cambiar de acuerdo a los requerimientos para
el vertedero de e cesos.
Diseo de la Transicin El agua que sale del desri iador por medio
de un vertedero ancho y de poco calado se dirige 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 una transici n, es decir una estructura en la cual dicho
cambio se lo reali a en forma gradual consiguiendo una prdida de
energa mnima. De acuerdo al Bureau of Reclamation se recomienda que
el ngulo mximo entre el eje del canal y una lnea que une los lados
de la de la transici n a la entrada y a la salida no exceda de 12,
. Para disminuir las prdidas conviene no dejar cambios de direcci n
bruscos y por esto se procura redondear las esquinas. Todava mejor
es hacer una transici n en curva compuesta de arcos de crculo
tangentes a la entrada y a la salida a las alineaciones del canal.
Esto disminuye considerablemente las prdidas aunque encarece la
construcci n. Las prdidas que se producen en una transici n son
debidas a la frcci n y al cambio de i velocidad. La primera es
pequea y puede ser despreciada en clculos preliminares. La segunda
se debe a la diferencia de cargas de velocidad.
11
7
m
L m
8
8
79
B
D
5
A@ 7 8
C
4 6
B b 2tgE
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
Para la transicin se tomar la forma con arcos de parbola de 2do
grado Se aplica la ecuacin: L! bini b fin
2 tan E 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 la conduccin. bini=3,75m bfin=0,75m =12,5 L=6,7m
12
E
La base del canal fue impuesta de tal manera que en lo
posterior, cumpla el sistema de captacin con el rgimen de
crecida.
Tipos de transicin Transicin de Entrada: es aquella en la que la
velocidad aguas arriba es menor que la velocidad de aguas abajo.
Transicin de Salida: es aquella en que la velocidad al comienzo es
mayor que a la salida. 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 B( P H )
Vini=0,215m/s Vfin=0,61m/s Vini
