P-2061-MEM_HIDRA-001

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Puerto Montt, Marzo de 2009.

ESTUDIO, EXPLOTACIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE ENERGÍAS

RENOVABLES EL ARRAYÁN LIMITADA

MEMORIA DE CÁLCULO HIDRÁULICA

PROYECTO CONSTRUCCIÓN BOCATOMA

RÍO MANTILHUE

N° P-2061-MEM_HIDRA-001

Preparado por

Claudio Schnettler Cid

Ingeniero Civil

U.T.F.S.M.

Nº páginas: 27

REV. FECHA PREPARADO APROBACIÓN OBSERVACIONES

DEPTO REV. CLIENTEA 23/03/09 AMU/CSC CSC Entrega DGA

P:\2061_MOD. CAUCE MINICENTRAL ARRAYANES\DOCUMENTOS\ENTREGA\REV.C\P-2061-MEM_HIDRA-001.doc



Mañihual 270-Puerta del Sol Fono/Fax (56-65) 263215 Email:[email protected] MONTT-CHILE

Sociedad El Arrayán Ltda.Memoria Hidráulica

Nº P-2061-MEM_HIDRA-001Página 2 de 27

MEMORIA DE CÁLCULO HIDRÁULICA

PROYECTO CONSTRUCCIÓN BOCATOMA

RÍO MANTILHUE

ÍNDICE.

1 INTRODUCCIÓN...........................................................................................................3

2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. ...............................................................................3

2.1 Ubicación. .......................................................................................................................... 3 2.2 Metodología. ...................................................................................................................... 4 2.3 Descripción general de las obras....................................................................................... 5

3 ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO MANTILHUE. ................................................................6

3.1 Introducción........................................................................................................................ 6 3.2 Criterios hidráulicos. .......................................................................................................... 6 3.3 Parámetros de cálculo. ...................................................................................................... 6 3.4 Situación sin proyecto (SP)................................................................................................ 9

3.4.1 Resultados..................................................................................................................... 9 3.5 Situación con proyecto (CP). ........................................................................................... 10

3.5.1 Resultados................................................................................................................... 10

4 DISEÑO OBRAS DE CAPTACIÓN. ...........................................................................12

4.1 Barrera frontal. ................................................................................................................. 12 4.1.1 Descripción. ................................................................................................................. 12 4.1.2 Bases del diseño. ........................................................................................................ 13 4.1.3 Verificación hidráulica.................................................................................................. 14

4.2 Caudal ecológico. ............................................................................................................ 14 4.2.1 Descripción. ................................................................................................................. 14 4.2.2 Bases del diseño. ........................................................................................................ 14 4.2.3 Verificación hidráulica.................................................................................................. 15

5 OBRA DE REGULACIÓN...........................................................................................15

5.1 Operación......................................................................................................................... 15 5.2 Curva de embalse............................................................................................................ 16 5.3 Estabilidad de talud-arrastre de sedimentos. .................................................................. 17

6 DISEÑO OBRA DE RESTITUCIÓN............................................................................18

6.1 Descripción. ..................................................................................................................... 18 6.2 Bases del diseño.............................................................................................................. 18

6.3 Verificación hidráulica. ..................................................................................................... 18 7 GOLPE DE ARIETE....................................................................................................19

8 OBRAS DE PROTECCIÓN.........................................................................................21

9 ANÁLISIS SOCAVACIÓN. .........................................................................................22

10 ARRASTRE DE SEDIMENTOS. ............................................................................25

11 REFERENCIAS. .....................................................................................................27






1 INTRODUCCIÓN.

El proyecto “Construcción Bocatoma Río Mantilhue” perteneciente a la sociedad Estudio,Explotación y Administración de Energías Renovables El Arrayán Ltda., se ubica en sector del Asentamiento el Arrayán, en la comuna de Río Bueno, provincia de Valdivia.

La empresa tiene el derecho de aprovechamiento no consuntivo, sobre las aguassuperficiales y corrientes del río Mantilhue, situación que consta en la resolución DGA Nº0033 de fecha 30/01/2009.

El objetivo del estudio es diseñar las obras de captación adecuadas para conducir a lasinstalaciones el volumen de agua que permite el funcionamiento de la MinicentralHidroeléctrica, sin poner en riesgo la infraestructura existente, causar desbordes hacia laspropiedades adyacentes y asegurar el escurrimiento del caudal ecológico.

2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.

2.1 Ubicación.

La zona de estudio se ubica aproximadamente a 20 Km al norte de la ciudad de EntreLagos. Las coordenadas UTM de los puntos de captación y restitución, referidas al DatumPSAD56, son las siguientes:

Tabla 2.1: Puntos de captación y restitución.

Punto Norte (m) Este (m)Captación 5503146 714798Restitución 5503122 714751

Figura 2.1: Ubicación geográfica.

ZonaMini Central






Figura 2.2: Ubicación zona de proyecto.

2.2 Metodología.

Para efectuar el diseño hidráulico de las obras de captación de la minicentral, quepermitan captar el caudal otorgado, se realiza un análisis hidrológico para la cuenca delrío Mantilhue, mediante el cual se determinan los caudales de crecida para distintosperíodos de retorno que escurren por el cauce en el punto de control.

Luego se analiza el comportamiento hidráulico del cauce en la zona de proyecto,mediante una modelación realizada en dos escenarios, situación con y sin proyecto, demanera de visualizar el eje hidráulico respectivo y verificar el diseño. La modelación serealiza en el programa de análisis de ríos HEC-RAS 4.0, basándose en la informacióntopográfica e hidrológica.

El objetivo del proyecto es el diseño de las obras de captación del caudal otorgado desde

el río Mantilhue, permitiendo el escurrimiento del caudal ecológico y la regulación delvolumen de agua captado.






2.3 Descripción general de las obras.

La obra de captación del río Mantilhue corresponde a una barrera frontal ubicada a loancho del cauce principal. La barrera opera como un vertedero frontal que permitegarantizar una cota de nivel de agua para cualquier caudal del río y posibilitar su ingreso ala tubería de aducción, además permite el paso del caudal de exceso en crecidas. Labarrera posee una abertura rectangular con diferentes niveles de umbral para permite elasegurar el paso del caudal ecológico. El agua es captada en el lado derecho del muro através de la tubería de aducción que conduce el caudal hasta la turbina de la sala demáquinas. En la boca de admisión de la tubería existe una compuerta y un sensor quepermite la regulación del caudal de entrada. El sensor consiste en sistema de telemedidadigital ubicado delante la cámara de carga. La sonda ultrasónica tiene por objetivo enviar a la sala de control una señal hasta el PLC que controla la turbina. Esta sonda en todomomento entrega la cota de agua que existe en la cámara de carga.

Debido a la necesidad de tener un volumen de acumulación para la generación deenergía en horas punta y de contar con una obra de regulación para amortiguar los peaksde las crecidas, se modifica la sección del río en una longitud 160 m aguas arriba de labocatoma y que se constituye en un embalse de carga.

La restitución del caudal otorgado se realiza después de pasar por la turbina. El caudaldescarga por el canal del difusor aproximadamente a 20 m de la caída de agua. Acontinuación se presenta el esquema general del sistema de captación.

Figura 2.3: Planta general de obras proyectadas.

Captación

Restitución

Sala demáquinas

Río Mantilhue

Zona Embalse

Caída de agua






3 ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO MANTILHUE.

3.1 Introducción.

El objetivo de este estudio es modelar el comportamiento hidráulico del río en la zona deestudio, en condiciones hidrológicas de crecidas para las situaciones sin (SP) y conproyecto (CP), de manera de visualizar el comportamiento del flujo y los efectos de lasobras proyectadas.

La modelación se realiza en el software de análisis de ríos HEC-RAS 4.0, basado en lainformación topográfica e hidrológica de caudales, determinados para el río Mantilhue enel estudio hidrológico, y consiste fundamentalmente en el cálculo del eje hidráulico a lolargo del cauce.

El presente estudio se realiza de acuerdo a los siguientes criterios y parámetros deentrada.

3.2 Criterios hidráulicos.

1. El escurrimiento será en régimen permanente de lecho fijo no uniforme enescurrimiento subcrítico.

2. Se considera como condición de borde la altura crítica en la caída de agua, paraestablecer la altura de agua inicial aguas abajo del tramo analizado.

3. El eje hidráulico se determinará para el caudal máximo instantáneo con períodos deretorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años.

4. Se divide el lecho en un cauce principal con riberas izquierda y derecha.

5. La rugosidad del cauce “n” se determinará mediante el método de Cowan yrecomendaciones del US Army Corps of Engineers.

3.3 Parámetros de cálculo.

Se consideran tres parámetros fundamentales, estos son: rugosidad, caudal de diseño ytopografía.

• Rugosidad (n):

El método de cálculo de las rugosidades se realizó mediante el método de Cowan.Mediante este procedimiento se estima el valor de “n” a partir del reconocimiento devarios factores que lo afectan. El valor de “n” puede calcularse por:

5m)

4n

3n

2n

1n

0n(n ⋅++++=






Donde:

n0 : valor típico de “n” para un canal recto, uniforme y liso en los materiales naturalesinvolucrados.

n1 : valor que debe agregarse al n0 para corregir el efecto de las rugosidades

superficiales.n2 : coeficiente que considera las variaciones en forma y tamaño de la sección

transversal del canal.n3 : valor para considerar las obstrucciones.n4 : coeficiente que considera la vegetación en el lecho y las condiciones de flujo.m5 : factor de corrección de los efectos por meandros en el canal.

Valores típicos de los coeficientes se encuentran en ref.1.

Los lechos de los ríos tienen, por lo general, características morfológicas, geométricas, eirregularidades diferentes a las de las riberas, inclusive muchas de éstas sólo constituyenlagunas de inundación cuando ocurren las crecidas, no contribuyendo al escurrimiento

normal del río. Debido a esto es necesario diferenciarlas.

Aún cuando existe una metodología con expresiones matemáticas definidas para estimar el coeficiente “n”, es importante tener en cuenta que existen en la bibliografía una serie demediciones in situ del coeficiente de Manning, con lo que se puede comparar lo obtenidonuméricamente y validarlo.

A continuación se entrega la condición de cada parámetro que permite determinar elcoeficiente “n” de lecho y de la ribera.

Tabla 3.1: Rugosidad lecho río.

n Parámetro Condición Valorn0 Material involucrado Grava fina 0.024n1 Grado de irregularidad Menor 0.005n2 Variación sección transversal Gradual 0n3 Estado relativo de las

obstruccionesInsignificante 0

n4 Vegetación Baja 0.005m5 Grado de efectos por

meandrosMenor 1

Total 0.034






Tabla 3.2: Rugosidad riberas río.

n Parámetro Condición Valorn0 Material involucrado Tierra 0.020

n1 Grado de irregularidad Menor 0.005n2 Variación sección transversal Gradual 0n3 Estado relativo de las

obstruccionesMenor 0.01

n4 Vegetación Baja 0.025m5 Grado de efectos por

meandrosMenor 1

TOTAL 0.06

• Topografía:

La información topográfica utilizada corresponde al Modelo Digital de Elevación generadopara el río Mantilhue en la zona de estudio, que cubre la batimetría del fondo del cauce yuna faja de ancho medio de aproximadamente 10 m, adyacente al borde de cada ribera. Apartir de dicho modelo se generaron los perfiles transversales del cauce.

Las características principales del levantamiento topográfico realizado para el desarrollodel estudio hidráulico son:

PLANTA:

1. Se presenta un levantamiento taquimétrico del lecho y riberas en un tramo queabarcó el sector comprendido 195 m aguas arriba de la captación y 40 m aguas abajode la restitución.

2. La escala de los planos taquimétricos es 1:1000, con curvas de nivel a 0.5 m.

PERFILES:

Longitudinales:

1. Perfil longitudinal trazado por el eje del cauce, el que señala y representa cotas defondo, cotas del eje hidráulico, distancias y pendientes.

Transversales:

1. Se presentan perfiles transversales al cauce, tomados a distancias de 10 maproximadamente y en sectores característicos.

2. Estos perfiles abarcaron todo el lecho más una franja de ribera no menor de 10 m.






• Caudal de cálculo:

Para el desarrollo del estudio es fundamental contar con un modelo hidráulico que permitarepresentar la situación sin proyecto (SP) y con proyecto (CP), para esto un parámetroimportante es el caudal de cálculo ingresado al modelo. En el estudio hidrológico se

determinaron los caudales máximos instantáneos asociados a distintos períodos deretorno, con los cuales se verifican las dimensiones y la elevación de las obrasproyectadas, además permite realizar el análisis de socavaciones máximas locales de lasestructuras proyectadas. Los caudales (QMI) se indican en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3: Caudales de cálculo.

PeríodoRetorno(años)

CaudalMáximo Inst

(m3/s)2 4.065 5.83

10 6.9925 8.5050 9.56

100 10.39

3.4 Situación sin proyecto (SP).

La situación sin proyecto se define como la situación existente, es decir, sin el proyecto debocatoma.

Para la modelación del río en el sector de la captación se trazaron seccionestransversales cada 10 metros en base a la topografía realizada sobre una longitud de 220metros del río Mantilhue.

3.4.1 Resultados.

A continuación se presentan los resultados gráficos de la modelación hidráulica del ríoMantilhue en el sector de estudio. La tabulación del eje hidráulico se presenta en el Anexode este informe.






0 50 100 150 200 250

116

118

120

122

124

126

Río Mantilhue Plan: Caudales Máximos SP

Geom: Río Mantilhue SP

Main Channel Distance (m)

E l e v a t i o n ( m )

Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

- 2 1 0

- 2 0 0

- 1 9 0

- 1 8 0

- 1 7 0

- 1 6 0

- 1 5 0

- 1 4 0

- 1 3 0

- 1 2 0

- 1 1 0

- 1 0 0

- 9 0

- 8 0

- 7 0

- 6 0

- 5 0

- 4 0

- 3 0

- 2 0

- 1 0

0

Río Mantilhue Minicentral

Figura 3.1: Eje hidráulico para QMI SP en captación.

3.5 Situación con proyecto (CP).

La situación con proyecto se define como la situación donde se incluyen las obrasproyectadas en el modelo, que corresponden a la bocatoma de captación conformada por una barrera que opera como vertedero frontal y a la modificación de la sección del río por

el embalse.

El muro se modeló en el programa mediante una estructura en línea que corta el flujoperpendicularmente, ubicado a 0.5 m de sección transversal 173 y el embalse mediante lamodificación de la sección transversal.

3.5.1 Resultados.

A continuación se presentan los resultados gráficos de la modelación hidráulica del ríoMantilhue en el sector de la captación.






0 50 100 150 200

116

118

120

122

124

126

Rio Mantilhue Plan: Caudales Máximos CP

Geom: Río Mantilhue CP



Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

- 1 9 0

- 1 8 0

- 1 7 3 . 5

- 1 7 0

- 1 6 0

- 1 5 0

- 1 4 0

- 1 3 0

- 1 2 0

- 1 1 0

- 1 0 0

- 9 0

- 8 0

- 7 0

- 6 0

- 5 0

- 4 0

- 3 0

- 2 0

- 1 0

0

Río Mantilhue M inicentral

Figura 3.2: Eje hidráulico para QMI CP en captación.

-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5



RS = -173.5 IS

Station (m)


Legend

WS T=100

WS T=50WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 3.3: Sección transversal bocatoma para QMI CP.






4 DISEÑO OBRAS DE CAPTACIÓN.

En los puntos siguientes se presenta el diseño y la verificación de las obras mediante losresultados de la modelación hidráulica del río con el software HEC-RAS.

4.1 Barrera frontal.

4.1.1 Descripción.

La barrera frontal consiste en un muro de hormigón armado de 7.5 metros de longitud,1.25 metros de espesor y una altura media de 2.05 m. Se encuentra anclado al lechorocoso con fierros de construcción de diámetro 16 mm en toda su luz. Su cota decoronamiento corresponde a 121.25 m. Tiene un vertedero con una barrera de madera depared delgada con diferentes niveles y una tubería de aducción en su costado derecho.Las características de estas unidades son las siguientes:

Vertedero frontal:

Altura barrera: 0.33 m.Ancho: 2.75 m.Espesor: 0.2 m.Cota base: 119.53 m.

Tubería de aducción:

Longitud hasta el salto: 27 m.Diámetro nominal: 30”.Material: Acero Std.

Cota radier entrada: 119.48 m.

La tubería de aducción conduce el caudal hasta la turbina. El álabe de la turbina será elelemento que controle el caudal que se ocupe en generar energía eléctrica. Éste sóloabrirá el porcentaje ideal para mantener una cota mínima en la cámara de carga. Laabertura del álabe será controlado por el PLC que tendrá la información de la sondaultrasónica en cámara de carga. Para las distintas aberturas de álabe, se tendrá un flujode caudal versus la generación eléctrica.

El caudal captado por la tubería de aducción corresponderá al otorgado por la DGA y quetiene la siguiente distribución mensual.






Tabla 4.1: Caudales otorgados.

Mes

Permanente

y continuo (l/s)

Eventual

y continuo (l/s)Enero 99 200Febrero 52 138Marzo 82 185Abril 121 340Mayo 345 390Junio 535 690Julio 580 580Agosto 470 510Septiembre 430 270Octubre 245 175Noviembre 147 147Diciembre 143 225

A continuación se presenta el esquema general de la obra de captación.

Figura 4.1: Esquema barrera frontal.

4.1.2 Bases del diseño.

• El dimensionamiento y seguridad de la bocatoma se verifica para crecidas deperíodo de retorno de 100 años.

• El nivel de la cresta de la barrera frontal se diseña para que el caudal máximoinstantáneo de 100 años de período de retorno, determinado en el “Estudiohidrológico”, produzca un área de inundación controlada y debidamenteidentificada sin poner en riesgo la obra proyectada y la infraestructura existente.

Murohormigón Vertedero

Tubería deaducción

Chimenea deequilibrio

Muro Ala

Río Mantilhue

OrificioQeco






• El nivel de aguas en el punto de ubicación de la barrera se determina mediante lamodelación del río en el tramo de influencia del proyecto, el que se estima enaproximadamente 180 m de longitud. Los resultados de la modelación sepresentan en el punto 3 de este informe.

• El nivel variable del vertedero de barrera frontal se diseña para permitir la cargahidráulica requerida en la tubería de aducción y la limpieza de sedimentos.

4.1.3 Verificación hidráulica.

La verificación del nivel de aguas para el caudal máximo se determinó mediante lamodelación del eje hidráulico del río para la situación con proyecto con el software deanálisis de ríos HEC-RAS versión 4.0.

Los resultados de la modelación, Figura 3.2, indican que el nivel máximo de la superficiede agua sobre el vertedero es 121.57 m. Estando el coronamiento de la barrera a la cota121.25, implica que la altura máxima del agua sobre el umbral del vertedero alcanzará 32cm.

El coronamiento del muro ala izquierdo se encuentra a la cota 121.7 m, por lo que se noproduce el desborde de las obras proyectadas hacia la ribera izquierda.

Se puede apreciar en la Figura 3.3 que para todos los períodos de retorno analizados elnivel de las aguas sobrepasa el coronamiento de la barrera, por lo tanto ésta opera comovertedero dentro de los límites del muro. Por esta razón se hace necesaria la protecciónde la ribera izquierda frente a los procesos de erosión y socavación. De acuerdo a lo vistoen terreno, el lecho es rocoso, lo que es esperable teniendo presente que a menos de 30m aguas abajo de la zona de captación existe una cascada de 20 m de altura en un cortevertical, cuya existencia es posible sólo si existe un manto rocoso.

4.2 Caudal ecológico.

4.2.1 Descripción.

En el vertedero frontal incluye una abertura rectangular en su base de 25 cm de ancho por 5 cm de alto para dejar escurrir el caudal ecológico. La cota umbral del vertedero seregula mediante la colocación de tablones de madera. En la Figura 4.1se puede apreciar un esquema del vertedero.

4.2.2 Bases del diseño.

• El orificio en la base de vertedero se diseña para permitir el paso del caudalecológico de 30 l/s (Otorgado DGA).






• La carga hidráulica sobre el orificio se considera como la diferencia entre el nivelde umbral del vertedero y el eje del orificio.

4.2.3 Verificación hidráulica.

El nivel umbral mínimo del vertedero debe proporcionar la altura de carga hidráulica paraque la tubería de aducción trabaje a presión en todo momento. Se instalará un sensor denivel que permite detener la turbina si el nivel baja de 20 cm sobre la clave de la tubería.Por lo tanto, se considera que este nivel, correspondiente a la cota 120.43 m., como elnivel de carga hidráulica sobre el orificio.

El caudal vaciado se puede determinar mediante la siguiente expresión:

hgaC Qvac ⋅⋅⋅⋅= 2

Qvac : Caudal de vaciado (m3/s).

C : Coeficiente de gasto del orificio.A : Área del orificio (m2).h : Altura de agua a vaciar (m).

Considerando la cota base del vertedero en 119.53 m y el nivel de trabajo de la tubería deaducción en la cota 120.43 m. resulta una carga de agua de 1.025 m sobre el orificio.Considerando un coeficiente de gasto de 0.6 y una abertura 5 cm se tiene un caudalvaciado de 0.034 m3/s. Por lo tanto el orificio permite el paso del caudal ecológico mínimode 30 l/s indicado en la resolución de otorgamiento de los derechos de agua.

5 OBRA DE REGULACIÓN.

En los puntos siguientes se presentan las características de la obra de regulación y/oalmacenamiento de agua que se proyecta inmediatamente desde 160 m aguas arriba dela bocatoma. El diseño y la verificación de las obras se incluyen en la modelación del ejehidráulico utilizando el software HEC-RAS.

5.1 Operación.

El volumen embalsado se aprovecha como volumen de reserva que permite satisfacer lasnecesidades de la turbina durante los aumentos bruscos de demanda y comoamortiguador de crecidas para mantener una descarga uniforme.

La capacidad de regulación se consigue mediante la construcción de la barrera frontal dey de la modificación de la sección del río. El caudal de exceso se evacua mediante elvertedero proyectado.






5.2 Curva de embalse.

Para determinar el volumen embalsado se elaboró la curva de capacidad del muro,graficando la altura de agua versus el volumen almacenado.

Para esto se estableció el área que determina cada curva de nivel para obtener una curvadel área en función de la altura, luego se realizó un ajuste con diversas curvasdeterminándose que un buen resultado se obtenía con una función cuadrática, la cual seintegró para determinar el volumen almacenado en función de la altura. A continuación sepresenta el gráfico obtenido y la tabla de resultados.

Tabla 5.1: Volumen embalsado.

Cota (m) Altura (m) Área (m2) Volumen (m3)119.00 0 0 0119.25 0.25 32.75 4.09119.50 0.50 77.12 17.83119.75 0.75 120.94 42.59120.00 1.00 2619.82 385.18120.25 1.25 3404.4 1138.21120.50 1.50 3771.66 2035.22120.75 1.75 4071.54 3015.62121.00 2.00 4351.43 4068.49121.25 2.25 4667.06 5195.80121.50 2.50 5081.25 6414.31

Curva del embalse

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Altura (m)

V o l u m e n ( m 3 )

Figura 5.1: Curva del embalse.






5.3 Estabilidad de talud-arrastre de sedimentos.

La construcción del embalse se realiza mediante la ampliación de la ribera izquierdagenerando una zona más extensa de inundación al construir la barrera frontal de labocatoma.

La ribera izquierda del río Mantilhue, en la zona de proyecto, corresponde a un borde quese eleva más de 3 m sobre la ribera contraria. Mediante la inspección visual se observóque el terreno bajo la capa vegetal corresponde principalmente a limos y arcillascementadas y consolidadas que debido a sus características mecánicas poseen buenacohesión y baja infiltración que garantizarían su estabilidad y estanqueidad.

La zona de inundación del embalse posee taludes prácticamente verticales debido a lascaracterísticas naturales del terreno con materiales consolidados.

La velocidad media de escurrimiento del río es inferior a los 0.2 m/s para T=100 años, por lo que no se produciría erosión de la ribera (Figura 5.2).

-40 -20 0 20 40 60119

120

121

122

123

124

125

126

127

Rio Mantilhue

River = Río Mantilhue Reach = Minicentral RS = -100

Station (m)

E l e

v a t i o n ( m )

Legend

WS T=100

0.0 m/s

0.1 m/s

0.2 m/s

Ground

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 5.2: Velocidad en sección representativa.






6 DISEÑO OBRA DE RESTITUCIÓN.

6.1 Descripción.

Se proyecta un canal de hormigón para la descarga de las aguas de restitución. El canaltiene una forma rectangular con las siguientes características:

Canal restitución:

Ancho basal : 0.8 m. Altura : 1 m. Pendiente : 0.5 %. Longitud : 5 m. Rugosidad : 0.013.

El caudal de restitución tiene una baja energía cinética debido a que pasa por los álabes

de la turbina, por lo tanto la descarga no produciría problemas de erosión en el cauce. Noobstante se considera colocar una protección del talud mediante una malla con shotcretesobre un terraplén de conglomerado de cantera.

6.2 Bases del diseño.

• El canal se diseña para que la altura de escurrimiento (hn), asociada al caudalotorgado, no supere el 80% de su altura geométrica.

• La altura normal de escurrimiento se determina mediante la fórmula de Manning.

• Caudal de diseño: Corresponde al Q otorgado máximo (1225 l/s).

6.3 Verificación hidráulica.

La estimación de la capacidad se realiza mediante el programa H-Canales.

Tabla 6.1: Capacidad de los canales de restitución.

Canal de restituciónRelación h escurrimiento

v/s H Canal Capacidad de porteo

(m3/s) h/H=1 1.9

h/H=0.8 1.4

Por lo tanto, el canal es capaz de conducir el caudal de restitución, equivalente al caudalotorgado eventual máximo de 1.23 m3/s.






7 GOLPE DE ARIETE.

Con el objeto de realizar la verificación estructural de la bocatoma y de los bloques deanclaje es necesario calcular las fuerzas ejercidas por la sobrepresión producida por elgolpe de ariete.

Las ondas de oscilación que se originan en el instante en que se cierra parcial ototalmente el órgano de control de la turbina se llaman golpe de ariete positivo, el cual secaracteriza porque el agua que se encuentra junto a la turbina se detiene y la energíacinética se transforma en presión.

El golpe de ariete máximo se produce teóricamente en el momento en que la variacióntotal de la cantidad de movimiento es igual al impulso en la sección más próxima a laturbina.

El tiempo T que demora la onda de presión para desplazarse desde el órgano de controlhasta la almenara o chimenea de equilibrio y regresar, se determina por la siguiente

expresión (ref.7):

sV

LT

⋅=2

Donde:

L : Longitud del ducto.Vs : Velocidad de la onda de presión.

La velocidad de la onda de presión puede determinarse mediante la siguiente ecuación:

e DK

V s⋅+

=3.48

9900

Donde:

D : Diámetro de la tuberíae : Espesor de la tubería.K : 0.5 para acero.

Si se considera t como de cierre del órgano de control, se presentan los siguientes casos:

t < T→ maniobra rápida, no recomendable.t > T→ maniobra lenta, recomendable.






Una maniobra lenta causa una sobrepresión real, la cual según la altura, equivale a(ref.7):

Alta caída

12

<⋅⋅

⋅

B

s

H g

V V

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅

⋅−⋅

⋅⋅

⋅+

⋅⋅

⋅⋅=

t V

L

t g

V V t g

V Lhs

s

s 21

21

12

Baja caída

12 >⋅⋅

⋅

B

s

H g

V V

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅⋅

⋅−⋅

⋅⋅

⋅⋅=

B H t g

V Lt g

V Lhs

212

12

Donde:

T : Tiempo de cierre.HB : Caída Bruta.

V : Velocidad de escurrimiento.

Para las características de la conducción se tienen los siguientes resultados:

L= 50 m.D= 750 mm.e= 13 mm.A= 0.44 m2.HB= 20 m.Q= 1.2 m3/s.t = 5 seg.

T= 0.08 seg.hs = 3 m

Por lo que la sobrepresión producida por la detención de la turbina no produciría efectosnegativos sobre la tubería y no aumenta la altura de presión sobre la bocatoma ni losmachones de anclaje.






8 OBRAS DE PROTECCIÓN.

La construcción de la bocatoma genera un peraltamiento del nivel de agua del caucerespecto de la situación sin proyecto. En la siguiente figura se muestra el perfil transversalen la barrera bocatoma con el nivel de agua para los diferentes períodos de retorno.

-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5



RS = -173.5 IS

Station (m)


Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 8.1: Nivel de inundación bocatoma.

Se puede apreciar que el nivel de agua se eleva hasta la cota 121.57 m para el caudalT=100 años, es decir 32 cm sobre el nivel de la barrera. Esta situación de rebalse por

sobre el nivel de coronamiento de la barrera se produce para el caudal máximoinstantáneo en cada período de retorno estudiado, por lo que se debe proteger la riberaizquierda de la bocatoma de la erosión.

Se proyecta colocar una protección con malla hexagonal recubierta con shotcrete en laribera izquierda, sobre un relleno de bolones de 4”. El área que se debe proteger quedalimitada por la topografía y el nivel máximo de inundación de la ribera para T=100 años.De esta manera se evita la erosión de la orilla que pudiese socavar el terreno contiguo almuro de la barrera. Además se contempla la construcción de muros de ala para asegurar la estabilidad de los anclajes en la zona de los estribos, aunque éstos serán anclados aterreno rocoso.

En la siguiente figura se presenta un esquema de la obra de protección contra la erosiónde las riberas de la barrera.

Zona deProtección

Muro Ala






Figura 8.2: Esquema obra de protección.

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obrashidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por elincremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en vertederos deexcedencias, estructuras de caída, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc.

La disipación de la energía puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber:

generación de resalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad.

Como se muestra en la Figura 8.2, aún teniendo presente que el lecho del río es rocoso yque no existe la posibilidad que éste sufra erosión, se considerará la construcción de uncolchón disipador aguas abajo del muro. Este colchón estará formado por un piso deenrocado con rocas de TM > 4”.

9 ANÁLISIS SOCAVACIÓN.

La socavación es un fenómeno producido por un desequilibrio localizado entre la tasa a lacual el sedimento es arrastrado por la corriente fuera de una determinada zona del lecho yla tasa de sedimento alimentada hacia ella. Este desequilibrio se genera por laconcentración del flujo asociada a la presencia de un obstáculo o estructura implantadaen un lecho fluvial. El resultado es una profundización local del lecho, bajo la forma deuna fosa o cavidad en el entorno de la estructura, que se desarrolla durante un ciertotiempo hasta que se restituye el equilibrio entre la tasa de entrada y de salida desedimento a la fosa.

El proceso tiende a alcanzar una condición de régimen o de estabilización. Es estacondición la que interesa principalmente cuantificar desde un punto de vista de la

Muro ala

Muro Vertedero

ProtecciónRío Mantilhue

Disipador






ingeniería. El nivel de socavación que caracteriza la condición de régimen puede llegar aafectar la estabilidad de estructuras y por lo tanto, se hace necesario predecirla comoparte del diseño.

Existe una serie de fórmulas deducidas en forma experimental para estimar la socavación

que se produce aguas abajo de una estructura hidráulica, producto del desbalance localen las tasas de transporte que origina la presencia de dicha obra en el lecho.

El fenómeno se socavación en barreras vertedoras, es básicamente el de la socavaciónque se produce al pie de una barrera, donde la napa se sumerge en una masa de aguaimpactando el lecho y produciendo la remoción del material.

Sin embargo, la bocatoma de la mini central hidroeléctrica se fundará sobre un lechorocoso, que se extiende hasta el salto existente aguas abajo. Por lo tanto, no existematerial que pueda ser removido por el agua. (Figura 9.1).

Figura 9.1: Manto rocoso, Sector cascada.






A continuación se ilustra el fenómeno de socavación local al pie de un vertedero (ref.4).

Figura 9.2: Socavación en vertederos.

Otro punto que se debe analizar es la socavación en la obra de protección. Como semencionó anteriormente la socavación se produce por el arrastre de sedimentos del lechodebido al caudal circulante. Los principales factores que influyen en el transporte desedimentos su tamaño y la velocidad de escurrimiento, ya que la fuerza hidrodinámicaascensional debe ser mayor que el peso sumergido. Es decir la velocidad debe ser lasuficiente como para arrastrar el material del lecho.

En la modelación hidráulica del río Mantilhue presentada, se determinó el perfil develocidades en la sección donde se construirá la obra y lo mismo se presenta en la tabla

de resultado del eje hidráulico para cada uno de los perfiles.

De acuerdo a los resultados obtenidos, las velocidades en las riberas aledañas a labocatoma no superan los 0.2 m/s, las que corresponden a velocidades de escurrimientono erosivas, por lo tanto no existe riego de socavación en estos sectores. No obstante, enel sector de la bocatoma se construirán muros de ala y un revestimiento de ribera conshotcrete según se muestra en la Figura 8.2.

A continuación se entrega el perfil de velocidades en el sector de la bocatoma.






-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5



RS = -173

Station (m)


Legend

WS T=100

0.0 m/s

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 9.3: Perfil de velocidad bocatoma.

10 ARRASTRE DE SEDIMENTOS.

El inicio de arrastre o de transporte de sedimentos se produce para una condición límiteconocida como condición o arrastre crítico, pudiéndosele asociar una velocidad delescurrimiento, un esfuerzo de corte, o bien, una altura o profundidad de agua.

El calificativo de incipiente o crítico del transporte de sedimento se utiliza para describir ocuantificar la condición hidráulica asociada al umbral de movimiento de las partículassólidas, es decir, la condición límite para la cual se inicia el transporte sólido.

La capacidad de arrastre de la corriente depende fundamentalmente de la velocidad y delas características físicas de las partículas del cauce (tamaño, forma, densidad).

Por lo tanto se puede relacionar la velocidad y el inicio del movimiento de las partículas.En el diagrama simplificado de Hjulström (Figura 10.2) se puede apreciar las velocidadesque inician que el movimiento de las partículas en función de su tamaño (ref. 6).

En el perfil de velocidades de la zona de la captación (Figura 10.1), para un caudal de

crecida de T=2 años, se puede apreciar que se encuentran en la zona de sedimentaciónpara arenas y gravas, aumentando drásticamente aguas abajo de la bocatoma, debido alvertido de la barrera.

De esta manera se puede concluir que existe tendencia a la depositación en la barrerapara condiciones de crecidas. La limpieza de los sedimentos se realiza mediante ladisminución de la cota umbral del vertedero, mediante el alzamiento de los tablones demadera.






0 50 100 150 2000.0

0.5

1.0

1.5

2.0




V e l C h n l ( m / s )

Legend

Vel Chnl T=2

Río Mantilhue Minicentral

Figura 10.1: Perfil de Velocidad QMI CP T=2 años.

Figura 10.2: Diagrama de Hjulström.

Bocatoma






11 REFERENCIAS.

1. Ven Te Chow, “Hidráulica de Canales Abiertos” Ed. McGraw-Hill.

2. Basilio Espíldora, “Elementos de hidrología”.

3. Francisco Domínguez, “Hidráulica”.

4. Manual de Cálculo de Crecidas y Caudales Mínimos en Cuencas Sin Información

Fluviométrica. DGA-1995.

5. Manual de Carreteras Volumen Nº 2 y Nº 3.

6. Marta González del Tánago, “Restauración de Ríos y Riberas” 1998.

7. Ramiro Ortiz Flórez, “Pequeñas Centrales Hidroélectricas”.

Documents

P-2061-MEM_HIDRA-001