01 Memoria Diseño Hidraulico

DISEÑO DE BOCATOMA

DISEÑO HIDRAULICO

BOCATOMA

Contenido

1. HIDRAULICA FLUVIAL............................................................................................................................................ 21.1 Caracterización Morfológica.................................................................................................................................. 21.2 Estabilidad del cauce en el tramo evaluado del Rio Principal............................................................................31.3 Perfiles Hidráulicos.............................................................................................................................................. 111.4 Datos Geométricos:............................................................................................................................................. 121.5 Evaluación de la capacidad de evacuación de sedimentos de fondo por el canal de limpia (compuertas de la Bocatoma)............................................................................................................................................................... 201.5.1 Diámetro se Sedimento Transportado:............................................................................................................ 23

2.- HIDRAULICA DE CAPTACIÓN................................................................................................................................... 242.1 Ventana de Captación:..................................................................................................................................... 242.2 Dimensionamiento del Barraje Fijo:............................................................................................................... 262.3 Velocidad Promedio en el Canal de Limpia:.................................................................................................. 322.4 Transiciones:.................................................................................................................................................... 322.5 Determinación del Nivel de Operación en el Embalse (NAMO):...................................................................322.6 Ubicación del Eje del Aliviadero (Barraje Fijo):.............................................................................................332.7 Determinación del Tamaño y número de Compuertas del Río:....................................................................332.8 Nivel de agua máximo en el río para la avenida de diseño:.........................................................................342.9 Diseño del Cuenco disipador:......................................................................................................................... 352.10 Tamaño de la Roca (Enrocado de Protección):............................................................................................. 362.11 Diseño de Aforador:........................................................................................................................................... 40

PRORRIDRE DIRECCION DE ESTUDIOS Y PROYECTOS - 2014 Página 1JOBR

DISEÑO DE BOCATOMA

BOCATOMA

1. HIDRAULICA FLUVIAL

1.1 Caracterización Morfológica

La caracterización morfológica del Río principal se realiza en el emplazamiento de la Bocatoma, este se realiza a partir análisis de las imágenes satelitales obtenidas del Google Earth, así como del levantamiento topográfico y visita de inspección realizada.

Imagen Satelital: muestra la ubicación de la Bocatoma Fuente Google Earth.


Rió Principal

Rió Tributario

Rió Principal

Vía férrea

DISEÑO DE BOCATOMA

La imagen satelital que se muestra, se puede apreciar que el eje de la bocatoma y que este se ubica en una zona de expansión del cauce, el ancho del cauce en la abertura es de unos 62m, unos 30m más que las secciones aguas arriba y 20m más que las secciones aguas arriba.

Aguas arriba del rio tributario se ubica el puente de la vía férrea, el cual deberá evaluarse si se afecta producto de la colocación del barraje mixto.

La pendiente promedio del rio evaluada desde 1.5Km aguas arriba del eje hasta 0.3km aguas abajo, es de s=0.03m/m, lo que confiere un comportamiento estable y con moderada capacidad de arrastre de sedimentos de fondo.

1.2 Estabilidad del cauce en el tramo evaluado del Rio Principal

ANCHO DE EQUILIBRIO

Caudal de Diseño

En el tramo evaluado del Río Principal, se estimaron los anchos mínimos de la sección transversal estable del cauce del Río correspondientes a los caudales con distintos periodos de retorno. En el análisis de estabilidad o equilibrio del cauce se aplicaron los métodos Blench, Lacey, Simons – Albertson basados en la teoría del régimen. y el método de Altunin Los métodos de la teoría del régimen son empíricos y están basados en observaciones sobre el comportamiento de canales de riego, que han estado en operación durante un largo periodo de tiempo, y por lo tanto se consideran estables, siendo sus fórmulas expresadas en forma explícita. El método de Altunin es semiempirico, y fue desarrollado al observar y trabajar en cauces con material granular grueso como gravas y boloneria.

Se han aplicado los métodos de Blench, Simons y Alberston, Altunin Cuyos resultados de Muestran:

Se


Método Ancho (m) para distintos periodos de retornoQ10 Q20 Q50=200

m3/sBlench 61.19Lacey 68.31Simons y Albertson 67.14Altunin 77.22

DISEÑO DE BOCATOMA

Los cálculos aquí presentados están referidos a un Caudal de Avenida (Tr=50 Años) : 200 m3/s.

CLASIFICACION

AASHTO : A-1-a ( 0 )

SUCS : SP

D50 mm. : 3.51

D65 mm. : 6.83

D84 mm. : 12.70

Dm mm. : 6.30

Método Blench

Dónde:

B = Ancho medio de la sección

Dm = Diámetro medioFb = factor de fondo

- Fb = 1.2 material grueso- Fb = dm ^1/3 para gravas

Fs = Factor de orillaDm = Diámetro medioQ = Caudal de diseño

Valores aproximado de Fs (Factor de Orilla )

Calculo del Ancho Medio de Equilibrio:

Dm = 0.0063 mFb = 1.20


TIPO DE ORILLA VALOR DE FsMaterial poco Cohesivo, como arena 0.1

Material medianamente cohesivo 0.2Material muy cohesivo, como arcilla 0.3

DISEÑO DE BOCATOMA

Q = 200 m3/sFs = 0.2

FbMaterial Fino Dm<=0.50mm 0.8Material Grueso Dm>0.50mm 1.2

-Fbo = 60.1xDm ^1/2 =4.77-Fb = 4.77

Reemplazando los valores en la ecuación se tiene:

B = 62.70 m

k= 0.5 Talud del Ríob =61.19 m

Calculo del Tirante

d= 3.03 m

A=194.48 m2

Calculo de la Velocidad

U= 1.028 m/s

Calculo de Perímetro Mojado

P= 67.96 m

Calculo de Radio Hidráulico

R= 2.86 m

Método Lacey

Dm = 0.0063 m

f= 4.02

Ancho de Equilibrio


DISEÑO DE BOCATOMA

B=68.31 m

dm= 1.74 m

A=119.10 m2

Cálculo de Velocidad

U= 1.679 m/s

Calculo del Tirante

k= 0.5 Talud del Río

d= 1.767 m

RS= 0.0022

Perímetro mojado

P= 72.26 m

Radio Hidráulico

R= 1.65 m

Método de Simons y Albertson

Los valores de los coeficientes y exponentes dependen de los materiales del fondo y orillas y son:


Material K1 K2 K3 K4 m'

Fondo y orillas de arena 6.3 0.41 9.33 0.32 1/3

Fondo de arena y orillas cohesivas 4.74 0.47 10.8 0.53 1/3

Fondo y orillas cohesivas 3.96 0.56 0.87

Fondo y orillas con material grueso no cohesivo

3.16 0.27 10.8 0.85 0.29

Igual que 2 pero con mucho transporte 2000ppm <=C<=800ppm

3.09 0.36 9.68 0.29

DISEÑO DE BOCATOMA

K1=4.74

K2=0.47

K3=0.53

m'= 1/3

Cálculo del Perímetro mojado

P=71.43 m

Cálculo del Radio Hidráulico

R= 3.18 m

Cálculo del Área:

A=227.34 m2

Cálculo de la velocidad:

U=0.88 m/s

k= 0.5 Talud del Río

ɛ= 2.24

d= 3.48 m

R<=2.60m

R>2.60m d=3.57 m

b= 63.66 m

B=67.14 m

bm= 65.40 m


DISEÑO DE BOCATOMA

Método Altunin

Si:dm < 1.5, α=1/3

dm= 1.47 m Tirante medio

α= 1/3

Coeficiente de Zona

Zona Montañosa: (a=1) Es aquella en que las secciones del cauce se aproximan a una V y cuyo fondo está formado por Roca, boleos y cantos rodados; aunque también los hay con grava. Es la zona en que el río tiene mayores pendientes, y se subdivide a su vez en zona de alta montaña y montaña.

Zona Intermedia (a=1.1): Es aquella zona del río en que el cauce está formado por gravas y arenas. Por ocurrir en ella fuertes cambios de pendiente, se inicia el depósito de los materiales aluviales. En ella se forman los ríos trenzados y con islas, además de iniciarse el desarrollo de meandros. Esta zona se divide en pie de montaña y zona media.

Zona de Planicie (a=1.15): Es aquella en que el río correo sobre los sedimentos que ha transportado y depositado en otras épocas. El material del fondo y orillas es arena principalmente, aunque puede haber también limos y arcillas. Dentro de esta zona, el río alcanza a desarrollar esta zona, la cual es índica de que un río ha alcanzado su etapa de madurez. Se distinguen dos condiciones: una si el río es caudaloso y otra si es poco caudaloso sin especificar límite entre ellos.

a= 1.15

m= 0.84

a) Para 0.0003m <= Dm<= 0.00263 (Datos de Lebediev)

b) Para 0.00263<= Dm <= 0.0303 (Datos de Altunin y Lebediev)

c) Para 0.0303m <= Dm <= 0.0865 (Datos Altunin)


DISEÑO DE BOCATOMA

Uφ= 1.40 m/s

d) Para Dm>=0.0865m (Datos de Altunin)

Dm: diámetro medio del material del fondo, en m.

Uφ= 0.79 m/s

A= 64.31 m2R= 89.33 m2

n=0.2489n adopt= 0.0333 ≈0.0333 Error: 0.0000m= 0.84

Coeficiente de Forma

K= 0.80-12 Para cauces formados en material aluvial (10)K=3-5 Para ríos con orillas difícilmente erosionablesK=16-20 Para cauces con orillas muy fácilmente erosionablesK=10

E= 1.1992

K=10z= 1/2x= 1/3

z-α= 0.1667(z-α)/2= 0.08331+z= 1.51+α= 1.3333


DISEÑO DE BOCATOMA

ɛ= 0.4778

S=0.000511

B= 77.22 mdm= 2.26 mA= 174.79 m2U= 1.144 m/s

k=0.5 Talud del Río

d=2.30 mb=74.92 mP=80.06 mR= 2.18 m

n=0.0333 ≈0.0333 Error: 0.0000

En el tramo evaluado del Río Principal, se estimaron los anchos mínimos de la sección transversal estable del cauce del Río correspondientes a los caudales con distintos periodos de retorno. En el análisis de estabilidad o equilibrio del cauce se aplicaron los métodos Blench, Lacey, Simons – Albertson basados en la teoría del régimen. y el método de Altunin Los métodos de la teoría del régimen son empíricos y están basados en observaciones sobre el comportamiento de canales de riego, que han estado en operación durante un largo periodo de tiempo, y por lo tanto se consideran estables, siendo sus fórmulas expresadas en forma explícita. El método de Altunin es semiempirico, y fue desarrollado al observar y trabajar en cauces con material granular grueso como gravas y boloneria.

Se han aplicado los métodos de Blench, Simons y Alberston, Altunin Cuyos resultados de Muestran:


Método Ancho (m) para distintos periodos de retornoQ10 Q20 Q50=200

m3/sBlench 61.19Lacey 68.31Simons y Albertson 67.14Altunin 77.22

DISEÑO DE BOCATOMA

Se ha planteado un ancho de 72 m de ancho, que es un promedio de los anchos determinados por los métodos de cálculo empíricos basados en la teoría del régimen, y semiempiricos, el ancho adoptado se limita a la zona del eje de la bocatoma, sobre el cual se fundará la estructura.

La topografía de la zona no permite una sobre elevación del tirante del río si perjuicio de desbordamientos y afectaciones de cultivos por efecto del remanso aguas arriba, por lo que se plantea la colocación de muros de encauzamiento aguas arriba y aguas abajo para protección de canal de conducción.

1.3 Perfiles Hidráulicos

Metodología


Rió Principal

Rió Tributario

Rió Principal

Vía férrea

DISEÑO DE BOCATOMA

Los perfiles hidráulicos del Río son evaluados mediante la aplicación del modelo numérico desarrollado por el Hydrologic Engineering Center, US Army Corps of Engineers, denominado Hec Ras, el cual es aplicable a un flujo estacionario unidimensional, gradualmente variado.

Las bases del procedimiento de cálculo corresponden a la solución de la ecuación de energía. Las pérdidas de carga por energía entre secciones transversales son evaluadas como perdidas por fricción y perdidas por contracción y expansión.

A continuación se muestra la ecuación general de cálculo:

Dónde:

La ecuación general para la determinación de pérdidas de carga es:

Dónde:

La obtención de los resultados resulta de la aplicación de la ecuación mediante proceso iterativo, suponiendo flujo normal como condición inicial.

El caudal es calculado para cada sección mediante la siguiente forma de la ecuación de Manning.

Dónde:


DISEÑO DE BOCATOMA

Para el cálculo de caudales en una sección transversal, compuesta de diferentes áreas parciales, se requiere que el caudal sea dividido en áreas por las cuales las velocidades son uniformemente distribuidas como se aprecia en la figura inferior.

Bajo esta condición se subdivide el caudal a través de la sección transversal del cauce del río en áreas, las cuales son definidas según los coeficientes de rugosidad.

1.4 Datos Geométricos:

Secciones transversales:

Los datos geométricos se conforman introduciendo en el modelo las secciones transversales del Río Principal y de su tributario levantadas en el mes de Agosto del 2015, las cuales se desarrollan desde 1.5km aguas arriba del eje de la Bocatoma hasta 0.3km aguas abajo de la misma.

Coeficiente de rugosidad

Para la determinación de los coeficientes de rugosidad se ha tomado en consideración las inspecciones de campo efectuadas, así como la experiencia y las descripciones de diferentes textos considerando las características de la superficie rugosa imperante, tipo de suelo, condiciones de vegetación, irregularidades del cauce del rio, alineamiento del talwed del rio, zonas de erosión y deposición, obstrucciones tamaño y forma del cauce, caudales en épocas de avenidas y estiaje y niveles del pelo de agua observados y/o registrados.


Valores del Coeficiente de Rugosidad (n)Tipo de Descripción Mínimo Normal Máximo

Corrientes en PlaniciesLimpio, serpenteante, algunos

pozos y bancos de arena0.033 0.040 0.045

Pastizales, sin matorralesPasto Corto 0.025 0.030 0.035

DISEÑO DE BOCATOMA

Fuente: Libro Ven te Chow, Hidráulica de Canales Abiertos.

La imagen muestra la ubicación de bancos de arena y agregado del río.

Coeficientes por contracción y expansión del flujo

Los coeficientes para determinar las perdidas por contracción y expansión de flujo entre secciones se determinan en base a los levantamientos topográficos y observaciones de campo, considerando el estrechamiento o ensanchamiento del cauce.

Estos coeficientes definen la brusquedad en la transición entre dos perfiles consecutivos según su morfología. Así, por ejemplo, los valores por defecto del modelo HEC-RAS son: cero para una sección de canal piramidal, tanto para el coeficiente de expansión como para el de contracción, pasando a ser 0.5 para el primero y 0.3 para el segundo al pasar por un puente y de 0.3 y 0.1 respectivamente en el caso de una transición gradual.

Datos de flujo

Como datos de flujo se ha utilizado los caudales de avenidas para el rio establecidos en el estudio hidrológico.


Bancos de Arena

Margen IzquierdoMargen Derecha

Río Principal

DISEÑO DE BOCATOMA

Caudales de Avenidas

Se ha elegido la opción de flujo Subcritico, La sección de control de aguas arriba y aguas abajo se determinan mediante la aplicación de la fórmula de Manning, considerando una pendiente de S=0.03 m/m

Resultados

El perfil hidráulico es de importancia para la determinación de la curva de remanso generada por la implantación de la estructura, así como para la evaluación del nivel aguas debajo de la bocatoma para el cálculo de la sumergencia del resalto hidráulico.

Análisis 01:

Determinación y verificación de los caudales máximos sin la presencia de la estructura (Bocatoma):

Caudales máximos considerados:

Periodo de Retorno: 10 Años


Q10 Q25 Q50Rio Principal Principal Años Años Años

Aguas arriba

56 105 140

Aguas abajo 80 150 200Tributario Tributario 24 45 60

0 200 400 600 800 10003945

3946

3947

3948

3949

3950

3951

rio principal0 Plan: Plan 01 18/08/2015

Main Channel Distance (m )

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q10

WS Q10

Crit Q10

Ground

rio principal aguas abajorio s ecundario parina

rio principal santa rosa

0 200 400 600 800 10003945

3946

3947

3948

3949

3950

3951



Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q25

WS Q25

Crit Q25

Ground



DISEÑO DE BOCATOMA

Periodo de Retorno: 25Años


El diseño utilizará el caudal máximo de 200 m3/s correspondiente a un periodo de retorno de 50 años.


0 200 400 600 800 10003945

3946

3947

3948

3949

3950

3951



Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q50

WS Q50

Crit Q50

Ground



700 660.* 620.*

560.*

500 480.* 460.*

420.*

380.* 360.*

340.*

320.*

300

280.* 260.*

240.* 220.* 160

120 80

40 20 0

160

120 100

80 60 40 20 0

660 620

580 560 540

500 460

420 400

360

340

320 300

240

200 140 100

60 20


Legend

WS Q50

Ground

Bank Sta

Ground

Puente vía férrea

Río Principal aguas abajo

Río Principal aguas arriba

Río Tributario

480

460

440

420


Legend

WS Q50

Ground

Bank Sta

DISEÑO DE BOCATOMA

La imagen muestra el Puente vía férrea, donde el nivel hidráulico no alcanza los niveles de la plataforma.

Análisis 02:

Determinación y verificación de los caudales máximos con la presencia de la estructura (Bocatoma):

Se realizará un análisis similar al anterior, donde se insertará el barraje fijo (barraje tipo Creager) y barraje móvil (Compuertas). Con las secciones modificadas de acuerdo al emplazamiento del proyecto, para luego evaluar su comportamiento con los diferentes caudales

.

Esta modificación de las secciones transversales aguas arriba y aguas abajo de la estructura permitirá un modelamiento cercano a la realidad.

La estructura de captación será sometida a los diferentes caudales máximos obtenidos en el estudio de hidrología, los cálculos realizados se realizan con un caudal máximo de Q=200 m3/s que corresponde a un periodo de retorno de 50 años.


700 660.*

620.* 580.*

540.*

500

460.*

420.*

380.*

340.* 320.*

300

280.*

260.* 240.* 220.*

160

120 80

40 20

0

160

120

100

80 60

40 20

0

660 620

580 560 540 500

480 440

420 400

360

340

320 300

240

200 140

100 60 20

rio principal Plan: Plan 01 18/08/2015

Legend

WS Q10

Ground

Bank Sta

Ground

Puente vía férrea

Río Principal aguas abajo

Río Principal aguas arriba

Río Tributario

Bocatoma

DISEÑO DE BOCATOMA

Periodo de Retorno: 10 Años




200 400 600 800

3946

3947

3948

3949

3950



Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q10

WS Q10

Crit Q10

Ground



Puente

Barraje (Bocatoma)

200 400 600 800

3946

3947

3948

3949

3950



Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q25

WS Q25

Crit Q25

Ground



Puente

Barraje (Bocatoma)

Puente

Barraje (Bocatoma)

DISEÑO DE BOCATOMA

La construcción de la estructura de la bocatoma crea una sobre elevación del tirante hidráulico por efecto del barraje fijo.

Características hidráulicas aguas arriba del eje de la Bocatoma

Características hidráulicas con compuertas cerradas


200 400 600 800

3946

3947

3948

3949

3950



Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG Q50

WS Q50

Crit Q50

Ground



DISEÑO DE BOCATOMA

Características hidráulicas con compuertas abiertas

1.5 Evaluación de la capacidad de evacuación de sedimentos de fondo por el canal de limpia (compuertas de la Bocatoma)

La metodología aplicada para evaluar la capacidad de evacuación de sedimentos por el canal de limpia (compuertas).

a) Estimar las velocidades del flujo que produce la fracción del caudal total que se descargan por el aliviadero de compuertas (caudal total menos el caudal descargado por el aliviadero fijo)

b) las velocidades del flujo en el cauce del rio, entrada y canal del aliviadero de compuertas, fueron estimadas en forma conservadora con el Software HEC-RAS versión 4.1.0, las limitaciones del HEC-RAS para modelar los campos de velocidades de un flujo bidimensional, como se producen durante las descargas de las avenidas por el aliviadero fijo y el aliviadero de compuertas, ha conllevado a adoptar simplificaciones conceptuales orientadas a estimar conservadoramente las velocidades del flujo que se producen en los puntos de interés, a fin de verificar la capacidad de evacuación de los sedimentos de fondo por el aliviadero de compuertas.


DISEÑO DE BOCATOMA

c) Se calcularon las velocidades de arrastre de los distintos diámetros de partículas que conforman la granulometría representativa del material del lecho del río. Para ello se aplicó la fórmula de velocidad erosiva para sedimentos granulares, propuesta en la norma Rusa SP 32-102-95 de la Federación Rusa, que es válida para sedimentos gruesos (hasta diámetros de 100 mm).

Así mismo utilizaremos la ecuación de Masa y Flores:

Para la estimación de las velocidades, se hará por medio de la ecuación de energía.

Características hidráulicas en las compuertas


Y1

AhL

Yc

Y Y2

v̂ 2/2g

v̂ 2/2g v̂ 2/2g

Q2

Q1

DISEÑO DE BOCATOMA

Q1=62.66 m3/s (caudal máximo que circula por las compuertas)

Calculo del tirante crítico:

Calculo del tirante en el canal de limpia:


DISEÑO DE BOCATOMA

1.5.1 Diámetro se Sedimento Transportado:

Se cuentan con velocidades de 7.40 m/s en la losa de limpia, que pueden transportar los sedimentos de fondo de diámetro D84=12.70 mm.


DISEÑO DE BOCATOMA

Velocidad erosiva para sedimentos granulares, propuesta en la norma Rusa SP 32-102-95 de la Federación Rusa, que es válida para sedimentos gruesos (hasta diámetros de 100 mm).

Dónde:

Ve=Velocidad erosiva (m/s)

H= tirante (m)

D= diámetro de la partícula (m)

Así mismo utilizaremos la ecuación de Masa y Flores:

Dónde:

Ve=Velocidad de transporte de un diámetro “d” (m/s)

D=diámetro de la partícula (m)

R= Radio hidráulico (m)

CLASIFICACION

AASHTO : A-1-a ( 0 )

SUCS : SP


DISEÑO DE BOCATOMA

D50 mm. : 3.51

D65 mm. : 6.83

D84 mm. : 12.70

Dm mm. : 6.30

Características aguas abajo

Velocidad aguas abajo V=2.20 m/s.

Tirante Y=1.35 m

La velocidad de salida V=2.20 m/s, es suficiente para transportar el material.

2.- HIDRAULICA DE CAPTACIÓN

2.1 Ventana de Captación:

La captación se realiza por medio de ventanas (orificios). Su dimensionamiento se ha establecido de acuerdo a su forma de trabajo. Como vertedero en época de aguas mínimas y como orificio ahogado en época de avenida. La condición más restrictiva para el actual caso, se presenta para la


DISEÑO DE BOCATOMA

captación del caudal derivado en época de estiaje, funcionando como vertedero.

La altura del umbral guarda relación con la altura del barraje fijo de manera que este proporcione la carga hidráulica necesaria para el ingreso del flujo al canal de derivación durante la época de estiaje. Por otra parte se proporcionará una altura mínima (alfeizer), para evitar el ingreso de material de arrastre de fondo proveniente del río con la finalidad de disminuir hasta un mínimo permisible el ingreso de material en suspensión.

La altura de la ventana más el alfeizer determinan la altura del barraje. El alfiezer ó la altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m como mínimo ó h0 > H/3, para evitar el ingreso de material sólido se ha establecido la altura del alfeizer ho=0.45 m.

Para determinar el ancho total necesario del umbral de captación, se determinó el número de ventanas en función de criterios estructurales e hidráulicos. Este último se ha considerado la necesidad de disponer cotas del umbral de captación, para cumplir con la altura mínima necesaria referida a la losa del canal de aproximación del canal de limpia, el cual tiene una pendiente para facilitar el paso del material de arrastre del río.

El uso de rejillas está en función a que si existe o no presencia de material flotante en el río.

Dimensionamiento de la ventana de captación

De la ecuación de vertedero:

Q = CLH^1.5

Dónde:

Q = Caudal que pasa por el vertedero, en m3/s.

L = Longitud de Vertedero, en m.

h = Carga sobre el vertedero, en m.

C = Coeficiente de vertedero, en este caso 1.84

Nº = 1 Número de ventanas

Q = 0.50 m3/s

C = 1.84

h = 0.20 m

L = 3.10 m

Verificación del procedimiento:

Q necesario = 0.50 m3/s

V mínima = 1 m/s (según recomendaciones)

Chequeo:


DISEÑO DE BOCATOMA

A total = 1.99m2

V = 1.321 m/s

Entonces adoptaremos las siguientes dimensiones: L h

1 Ventana de 3.10 x 0.2 m

2.2 Dimensionamiento del Barraje Fijo:

Para el dimensionamiento del barraje se plantea tres métodos, de los cuales se adoptará el que mejor ajuste.

Los métodos a utilizarse son:

1.- UNITED STATES DEPARTAMENT OF INTERIOR BUREAU OF RECLAMATION

2.- UNITED STATES ARMY CORPS OF ENGINEERS

3.- METODO DE SCIMEMI

METODO U.S BUREAU OF RECLAMATION:

Las secciones de las crestas cuya forma se aproxima a la de la superficie inferior de la lámina que sale por un vertedor en pared delgada, constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas.

La forma de esta sección depende la carga, de la inclinación del paramento de aguas arriba, se han estudiado en forma extensa las secciones de las crestas en los laboratorios hidráulicos del Bureau Of Reclamation. La porción que queda aguas arriba del origen se define como una curva simple y una tangente o como una curva compuesta. La porción de aguas abajo está


DISEÑO DE BOCATOMA

definida por la ecuación:

Dónde:

K y n son constantes, cuyos valores dependen de la inclinación de aguas arriba y de la velocidad de llegada.

METODO U.S ARMY CORPS OF ENGINNEERS:

Sobre la base de datos de U.S Bureau Of Reclamation, el U.S Army Corps of Engineers ha desarrollado varias formas standard en su Waterways Experimental Station. Tales formas, diseñadas se pueden representar por la ecuación.

Donde X e Y son coordenadas del perfil de la cresta con el origen en el punto más alto de la cresta, Hd es la altura de diseño excluyendo la altura de velocidad del flujo aproximadamente, y K y n son parámetros dependiendo de la pendiente de la cara aguas arriba. Los valores de K y n se dan a continuación:


DISEÑO DE BOCATOMA

Los valores de R1, R2, se pueden asumir de la U.S Bureau Of Reclamation y los valores de Xc e Yc también pueden ser asumidos por este, o también por los valores que se muestran por el método de Scimemi, puesto que se trata del mismo tipo de Perfil (Creager).

El paramento aguas arriba de la cresta del vertedero puede a veces ser diseñada con una determinada inclinación y la forma de la cresta no será afectada materialmente por este detalle. Esto es porque las velocidades verticales son pequeñas debajo de esta profundidad y el efecto correspondiente sobre el perfil de la napa es despreciable.

METODO DE SCIMEMI:

La fórmula de Scimemi, adopta valores de n y K, para un perfil tipo Creager:

n = 1.85

K = 0.5

En la ecuación:

Y valores de:

R1 = 0.530xHd

R2 = 0.234xHd

Xc = 0.283xHd

Yc = 0.126xHd

Dónde:

Hd = Carga de diseño (Ho)


pendiente de la cara aguas arriba

k n

Vertical 0.5000 1.85

1:3 0.5165 1.836

2:3 0.5157 1.81

3:3 0.5339 1.776

YHo

( )KXHo

n

R1=

0.530xHd

R2=0.234xH

d

0.234xHd

R1-R

2=0.296xHd

Yc=0.126xHd

Ve

rtic

al

1:3

Xc=0.283xHd

Y

X

DISEÑO DE BOCATOMA

BARRAJE FIJO:

L Fijo = 61.20 m

Qmáx = 200 m3/s

Co = 3946.35 m.s.n.m Nivel del Río.

P = 0.85 m Paramento o altura de barraje (Aguas arriba).

Descarga sobre el barraje:


DISEÑO DE BOCATOMA

Geometría del Perfil Aguas Arriba de la Cresta Vertedora:

Método: METODO DE SCIMEMI

Resultados:

Ho = 1.546 m

Xc = 0.39 m

Yc = 0.155 m

R1 = 0.769 m

R2 = 0.323 m

n = 1.85

K = 0.5

T = 1.5

R = 2.43 m

Xfinal =1.052 m


YHo

( )KXHo

n

R1

R2

R2

R1-R

2

Yc

Ver

tical

1:3

Xc

DISEÑO DE BOCATOMA

Dónde:

Esta curva se empalmará con una tangente 1 : 1.5 de donde Xfinal = 1.052 m.

Xfinal es la coordenada que define el punto de intercepción entre la recta (tangente) y la curva del perfil.

Cálculo del radio "R" de la curva de descarga:

Dónde:

R =Radio de la curva de descarga. (m)

Ho = Hd = Carga de diseño. (m)

Cálculo del tirante d1:

Energía en la sección 0

Energía en la sección 1

Igualando energía 0 y energía 1:


Ko = 0.5 = 0.3451.546^ (1.85 - 1)

Ko = 0.34526 n = 1.85X 0

Y0.00000.00490.01760.03720.0634

0.50.6

0.10.20.30.4

0.09580.13420.17850.2285

0.70.8

no X*K y

DISEÑO DE BOCATOMA

Por continuidad:

Igualamos las expresiones:

Resolviendo la ecuación.

d1 = Y = 0.417 m

V1 = 7.843 m/s

Cálculo del tirante d2:

d2 = Y2 = 2.087 m

Cálculo de la longitud del colchón disipador:

Schoklitsch :

L = (5 a 6 )x (d2-d1)

Lím = 8.35 m Lmáx =10 m

Safranez :

L = 6 x d1 x F1

L = 9.70 m

U.S. Bureau of Reclamation:

L = 4xd2

L = 8.35 m

2.3 Velocidad Promedio en el Canal de Limpia:

Velocidad promedio en el canal de limpia ≥ 1.50 m/s

2.4 Transiciones:


DISEÑO DE BOCATOMA

Coeficiente de pérdida por convergencia o divergencia brusca: 0.50

Coeficiente de pérdida gradual por convergencia: 0.1

Coeficiente de pérdida gradual por divergencia: 0.2

Longitud de Transiciones. L ≥ (B1-B2) /(2 tgα)

α: Angulo de las paredes de la transición con el eje de la misma (12.30º- 25º) (Flujo subcritico).

B1: Ancho al inicio de la transición.

B2: Ancho al final de la transición.

2.5 Determinación del Nivel de Operación en el Embalse (NAMO):

Es el nivel que permite la captación del caudal de diseño de la ventana de captación (0.50 m3/s). el NAMO disminuirá si el caudal de captación es menor o se mantendrá regulado por las compuertas de captación.

Del análisis realizado en el aforador se determina las cargas hidráulicas aguas arriba del aforador.

Cota de la Cresta del Barraje= 3947.20 msnm

NAMO=3947.20 msnm

2.6 Ubicación del Eje del Aliviadero (Barraje Fijo):

Se ubica sobre el eje “A”-“B”.

2.7 Determinación del Tamaño y número de Compuertas del Río:

El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación.

Adoptaremos una velocidad de Vc=1.5 m/s

El ancho del canal de limpia se obtendrá de la relación.

B = Qc/q

q = (Vc^3)/g

Dónde:

B = Ancho del canal de limpia, en m.

Qc = Caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m3/s

q = Caudal por unidad de ancho, en m3/s/m


DISEÑO DE BOCATOMA

Vc = Velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s.

g = Aceleración de la gravedad, en m/s2.

Recomendaciones:

a .- Caudal en la zona de limpia :

Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del río.

b.- Velocidad en la zona de limpia:

Se recomienda que esté entre 1.50 a 3 m/s.

c.- Ancho de la zona de limpia:

Se recomienda sea un décimo de la longitud del barraje.

a) 2 veces el caudal a derivar: b ) Caudal medio del rio:

Qc =2 x 0.5=1 m3/s Qc =3.5 m3/s

q =0.344 m2/s q =0.34 m2/s

B =2.91 m B =10.20 m

c ) L/10 del barraje fijo :

L =62.10 m

B =6.00 m

Se han previsto 03 compuertas de 3.0 m, para evacuar la avenida de diseño conjuntamente con el aliviadero fijo.

El funcionamiento normal de las compuertas será primero la compuerta central de 3 m para obtener un flujo simétrico e ir abriendo paulatinamente las otras 02 compuertas de 3.0m a medida que aumenta el caudal del río manteniendo el nivel de operación en el embalse que permita la captación del caudal de diseño (0.50m3/s), siempre y cuando el grado de turbidez del agua sea el admisible. Para la avenida de diseño del río, las 03 compuertas estarán completamente levantadas.

Se ha adoptado una longitud de 10.20m con la finalidad de reducir los efectos de remanso aguas arriba de la bocatoma, permitiendo derivar un mayor caudal por las compuertas.


DISEÑO DE BOCATOMA

2.8 Nivel de agua máximo en el río para la avenida de diseño:

Q=Q1+Q2

Q1= Caudal por aliviadero compuertas (m3/s).

Q2= Caudal por aliviadero fijo (m3/s).

Q= Caudal total (m3/s).

Estos parámetros han sido estimados por el HEC-RAS, así como se muestra en el siguiente cuadro:

Cota de la Cresta del Barraje= 3947.20 msnm

Hd=1.546 m

NAME=3947.20+1.546 = 3948.746 msnm

2.9 Diseño del Cuenco disipador:

El cuenco disipador corresponde a un cuenco tipo USBR IV. Este se presenta Cuando el número de Froude F1=2.5 a 4.5, se presenta un resalto oscilante en el cuenco, el cual genera una onda que es difícil de atenuar.


DISEÑO DE BOCATOMA

El cuenco USBR IV, se diseña para combatir este problema eliminando la onda en su fuente. Para un comportamiento hidráulico mejor, es conveniente construir estos bloques.


DISEÑO DE BOCATOMA

Dimensionamiento de los deflectores:

Y1=0.40m

2Y1=0.80m

2.50Y1=1.50m

n= número de deflectores

Espacio fraccional (efracc)


DISEÑO DE BOCATOMA

2.10 Tamaño de la Roca (Enrocado de Protección):

La estabilidad de una roca es una función de su tamaño, expresada ya sea en términos de su peso ó diámetro equivalente.

Datos de los Materiales:

ɣs: 2120 Peso específico de la roca kg/m3

ɣa: 1000 Peso específico del agua kg/m3

Se ha efectuado muchos estudios para determinar el tamaño de las rocas, entre los que tenemos:

1.- Formula de Maynord:

Dónde:

d50: diámetro medio de las Rocas

Valores de C1:

Tipo de Fondo C1

Fondo Plano: 0.28

Talud 1V:3H 0.28

Talud 1V:2H 0.32

Valores de C2:

Tipo de Fondo C2

Tramos en Curva 1.5

Tramos Rectos 1.25

En el Extremo de Espigones 2

Tirante y Velocidades tomadas del canal de limpia, por ser las de mayor velocidad.


DISEÑO DE BOCATOMA

Y= 1.0 m

V= 3.0 m/s

F: 1.20

D50: 0.48 m

2.- Formula de Isbash

Dónde:

d= Diámetro de las Rocas


DISEÑO DE BOCATOMA

ρr=Densidad de las Rocas

ρ=Densidad del agua

ρr= 216.11

ρ= 101.94

d= 0.283 m

3.- Formula de Goncharov

Recomendación del U.S.Department of Transportation

Y: 1.0 Tirante (m)

V: 3.0 Velocidad media (m/s)

K1: 0.892

ϴ: 33 Ángulo del talud del dique

Ø: 70 Ángulo de fricción interna

DR: 1.12 Gravedad especifica de la roca Kg/m3

ɣs: 2120 Peso específico de la roca kg/m3

ɣa: 1000 Peso específico del agua kg/m3

d50': 0.624

Csg: 1.789

Fs: 1.500

Csf: 1.40

Co: 2.50

d50: 1.56 Pies


DISEÑO DE BOCATOMA

d50: 0.48 m

4.- Recomendación de la Comisión federal de Electricidad de México

Diámetros mínimos de las piedras de protección, en centímetros, para un tirante igual a 1m.

Velocidad de la

Corriente v1, en m/s

Peso específico del material, en Kg/m3

1600 1800 2000 2200 2400

1 8 8 7 6 62 18 16 13 13 123 38 34 31 28 264 68 60 54 50 46

>4.5 85 77 70

Dónde:

Conocidos V e y, se despeja V1, y se regresa al cuadro para conocer el diámetro de las piedras.

y: 1.0 m

V: 3.0 m/s

a: 0.333 m/s

V1: 3.00 m/s

Asumido:

d: 50 cm

2.11 Diseño de Aforador:

1.- Descripción:

El aforador de cresta estacionaria, construida de concreto, se ubicará a la salida de la bocatoma, inmediatamente después del sedimentador, esta estructura permitirá controlar la cantidad de volumen que es captada por la estructura de captación (Bocatoma).


DISEÑO DE BOCATOMA

Para el diseño de la estructura del aforador se ha recurrido al programa de computo Winflume32 v1.06.

2.- Diseño:

Geometría del Canal:

El canal en su primer tramo cuenta con una sección trapezoidal:

Q=0.50 m3/s

B=0.60 m (Base Inferior)

Z=1 (Trapezoidal)

H=0.90 m (Altura del canal)

n=0.015 (Coeficiente de rugosidad Manning)


DISEÑO DE BOCATOMA

3.- Diseño del aforador

El siguiente grafico muestra el perfil de la sección del aforador, así como la ubicación de la regla de medición de caudal (Limnimetro):


Documents

01 Memoria Diseño Hidraulico