Presentación de PowerPoint - comeii.comcomeii.com/comeii2016/congreso2016/php/ponencias/presentacion/... · Implementación de algoritmo para diseño de pequeñas presas de gaviones

Implementación de algoritmo

para diseño de pequeñas

presas de gaviones

Eduardo Jiménez Hernández1

1Soluciones en Ingeniería y Tecnologías del Agua S.A. de C.V.

II Congreso Nacional de Riego y Drenaje COMEII 2016

08 al 10 de septiembre del 2016

Chapingo, México 1

ÍNDICE

• Antecedentes

• Materiales y métodos

• Escurrimiento máximo

• Diseño del vertedor

• Dimensionamiento de la presa

• Análisis de estabilidad

• Desarrollo del programa

• Resultados

• Conclusiones

• Referencias

2II Congreso Nacional de Riego y Drenaje COMEII 2016 Chapingo, México, del 08 al 10 de septiembre del 2016

ANTECEDENTES

3

• La metodología utilizada en el desarrollo del programa es la presentada por el Dr. José Luis Oropeza Mota en el curso de Conservación del suelo y del agua en el Departamento de Irrigación

• Este trabajo empezó como un trabajo de tesis, donde se identificaron al menos dos programas de cómputo que realizaban una tarea similar

• El la metodología y el programa se han utilizado en algunos trabajos de restauración de cuencas

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DATOS PARA DISEÑO

II CONGRESO NACIONAL COMEII 2016, Reunión Anual de Riego y Drenaje 4

PRESA DE GAVIONES


MATERIALES Y MÉTODOS

• La metodología se dividió en diferentes partes, mismas que a su vez se codificaron en módulos que realizan una tarea específica:

1. El escurrimiento máximo, en pequeñas cuencas o áreas de drenaje puede estimarse mediante dos procedimientos (Colegio de Postgraduados, 1991):

1. Método racional

2. Método simplificado de la huella máxima

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MÉTODO RACIONAL

• Es un método muy utilizado particularmente en el diseño de drenajes urbanos. La ecuación es:

𝑄 = 𝐶𝑒 ∙ 𝑖 ∙ 𝐴

Donde Ce es el coeficiente de escurrimiento, que representa la fracción de la lluvia que escurre de forma directa;

i es la intensidad de la lluvia de una frecuencia elegida para una duración igual al tiempo de concentración tc (Bedient, Huber, & Vieux, 2008);

Q es el gasto máximo posible que puede producirse con una lluvia de intensidad i en una cuenca de área A y coeficiente de escurrimiento Ce.


MÉTODO RACIONAL

• Una forma de estimar el tiempo de concentración (tc) es mediante la fórmula de Kirpich (Aparicio, 1992), en cuencas de área mayor a 200 ha:

𝑡𝑐 =0.000325 ∙ 𝐿𝑐

0.77

𝑆0.385

• En cuencas de menor superficie se recomienda usar la ecuación de Giandotti (1934) (citado por Vélez & Botero, 2011)

𝑡𝑐 =4 𝐴 + 1.5𝐿𝑐

25.3 𝑆 ∙ 𝐿𝑐• Donde tc es el tiempo de concentración (h); A es el área de la cuenca

(km2); Lc es la longitud del cauce más largo (km); S es la pendiente promedio del cauce principal (m m-1).


MÉTODO RACIONAL

• Coeficiente de escurrimiento (Ce)

• Se obtiene con el método de la NOM-011-CNA-2000: Conservación del recurso agua.


Tipo de suelo CaracterísticasA Suelos permeables, tales como arenas profundas y loess poco compactos.

BSuelos medianamente permeables, tales como arenas de medianaprofundidad: loess algo más compactos que los correspondientes a los suelosA; terrenos migajosos.

CSuelos casi impermeables, tales como arenas o loess muy delgados sobre unacapa impermeable, o bien arcillas.

Uso de sueloTipo de suelo

A B C

Barbecho, áreas incultas y desnudas 0.26 0.26 0.26

Cultivos:

En hilera 0.24 0.24 0.24

Legumbres o rotación de pradera 0.27 0.27 0.27

Granos pequeños 0.30 0.30 0.30

Pastizal (Porcentaje del suelo cubierto o pastoreo):

Más del 75% -Poco- 0.14 0.14 0.14

Del 50 al 75 % -Regular- 0.20 0.20 0.20

Menos del 50% -Excesivo- 0.28 0.28 0.28

Bosque:

Cubierto más del 75% 0.07 0.07 0.07

Cubierto del 50 al 75 % 0.16 0.16 0.16

Cubierto del 25 al 50 % 0.24 0.24 0.24

Cubierto menos del 25% 0.12 0.12 0.12

Zonas urbanas 0.22 0.22 0.22

Caminos 0.26 0.26 0.26

Pradera permanente 0.17 0.17 0.17

MÉTODO RACIONAL

• Se obtiene el valor de K de las tablas anteriores.

• Si K ≤ 0.15 entonces:

𝐶𝑒 =𝐾(𝑃 − 250)

2000

• Si K > 0.15 entonces:

𝐶𝑒 =𝐾(𝑃 − 250)

2000+𝐾 − 0.15

1.5


MÉTODO DE LA HUELLA MÁXIMA

• El método tiene la ventaja de no requerir datos de precipitación y se recomienda en cárcavas donde se observe la huella dejada por el escurrimiento máximo (Colegio de Postgraduados, 1991).

• El método parte de la ecuación:

𝑄 = 𝐴ℎ ∙ 𝑣

• Donde Q es el gasto máximo de diseño (m3 s-1); Ah es el área hidráulica del cauce (m2); v es la velocidad del escurrimiento (m s-1).




• La velocidad del escurrimiento se determina en función de la ecuación de Manning:

𝑣 =1

𝑛𝑆1/2𝑅2/3

• Donde v es la velocidad del escurrimiento (m s-1); S es la pendiente del cauce (m m-1); R es el radio hidráulico (m); n es el coeficiente de rugosidad de Manning.

• Y el radio hidráulico se calcula mediante la relación entre el área hidráulica Ah (m2) y el perímetro mojado, Pm (m)

𝑅 =𝐴ℎ𝑃𝑚



• Área hidráulica, se determina por topografía.

DISEÑO DEL VERTEDOR

• En estructuras de gaviones, se utilizan vertedores rectangulares de cresta gruesa:

𝐻𝑣 =𝑄

𝐶 ∙ 𝐿

2/3

• Donde, Hv es la carga sobre el vertedor (m); Q es el escurrimiento máximo de diseño (m3 s-1); C es el coeficiente del vertedor y L es la longitud del vertedor (m).


ANÁLISIS DE ESTABILIDAD

• El cálculo estructural de una presa de gaviones se realiza a partir de la sección crítica unitaria, es decir, que las dimensiones están referidas a la unidad de ancho del muro considerando el perfil de la figura.


CONDICIÓN DE DESLIZAMIENTO

• La condición de deslizamiento establece que el peso del cuerpo de la presa y la lámina de agua vertiente (afectados por el coeficiente de fricción) deben ser mayores que el empuje hidrostático:

(𝑞 + 𝑃)𝜇

𝐸≥ 1.0

• Donde q es el peso de la lámina vertiente (t), P es peso total de la sección crítica unitaria (t); µ es el coeficiente de fricción y E es el empuje hidrostático (t).


CONDICIÓN DE VOLCAMIENTO

• La condición de volcamiento a la que se debe someter la presa es que la relación entre el peso unitario de la misma y el empuje hidrostático sea mayor a la unidad, como se expresa en la ecuación:

𝑃(𝑍𝑝)

𝐸 (𝑋𝑒)≥ 1.0

• Donde P el peso de la presa (t), ZP es su brazo de palanca (m); E es el empuje hidrostático (t) y XE es su brazo de palanca (m).


CONDICIÓN DE NÚCLEO CENTRAL

• Establece que la resultante de todas las fuerzas debe estar en el tercio medio de la base de la presa para que exista estabilidad. Esto se expresa en la ecuación:

𝑞 𝑋𝑞 + 𝑃 𝑍𝑃 + 𝐸 𝑋𝐸 ≤2

3𝑞 + 𝑃 𝐵

• Donde Zp es el brazo de palanca del peso de la sección crítica unitaria (m), Xq es el brazo de palanca del peso de la lámina vertiente (m), B es la longitud de la base de la presa (m).


DESARROLLO DEL PROGRAMA


• Ambiente de desarrollo:

DESARROLLO DEL PROGRAMA

• Modelo de desarrollo: Open Source (FOSS)

• Licencias: GPLv2 & MIT (libre)

• Homepage:

http://www.irriapps.com/gabbioni/

• Código fuente:

https://github.com/ecoslacker

• El software se puede usar, copiar, modicar, combinar, publicar, distribuir y sublicenciar libremente, sin cargo alguno.

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http://www.irriapps.com/gabbioni/

https://github.com/ecoslacker

DIAGRAMA DE FLUJO


EVOLUCIÓN DEL PROYECTO

• Actualización del proyecto desde 2013 (60%)

• Cambio de paradigma: Estructurada/OOP OOP


REQUERIMIENTOS

• El programa ejecutable no tiene ningún requerimiento.

• Multiplataforma: Windows 7/8/10, Linux, OS X

• Arquitecturas: Intel 32 & 64 bits (ARM en planes)

• Para ejecutar desde código fuente es necesario instalar los siguientes requerimientos:• Python 2.7 (Backend)

• Matplotlib

• DXF Write (*)

• PyQt4


PRESENTACIÓN DEL PROGRAMA


SECCIÓN DEL CAUCE


CÁLCULO DEL ESCURRIMIENTO


VERTEDOR


DIMENSIONAMIENTO


RESULTADOS

• Se tomó un ejemplo resuelto y se diseñó con el programa usando los mismos datos.

29

Valor de comparaciónResultados

ejemplo

Resultados

programa

Coordenada centroidal X 5.21 5.217

Coordenada centroidal Y 2.06 2.439

Coordenada centroidal Z 1.05 1.053

Peso de la lámina vertiente

(t)

1.2 1.2

Peso de la sección crítica

unitaria (t)

9.6 9.6

Empuje hidrostático (t) 5.4 5.4

Condición de deslizamiento 1.5 ≥ 1 1.5 ≥ 1

Condición de volcamiento 4.83 ≥ 1 4.8333 ≥ 1

Condición de núcleo central 1.33 < 1.84 < 2.66 1.333 ≤ 1.843 ≤ 2.667

II CONGRESO NACIONAL COMEII 2016, Reunión Anual de Riego y Drenaje

RESULTADOS


CONCLUSIONES

• El programa desarrollado proporciona un ambiente especializado para la tarea de diseño de pequeñas presas de gaviones.

• Con el uso del programa se reduce el tiempo de diseño de presas de gaviones y la incidencia de errores causados por descuidos.

• El programa es apto para ambientes académicos y desarrollo de proyectos, no se recomienda para uso comercial.


REFERENCIAS

• Aparicio, M. F. (1992). Fundamentos de hidrología de superficie (primera ed.). México D.F: LIMUSA.

• Bedient, P. B., Huber, W. C., & Vieux, B. E. (2008). Hydrology and foodplain analysis. Prentice Hall.

• Colegio de Postgraduados. (1991). Manual de conservación del suelo y del agua (tercera ed.). Chapingo, México: Colegio de postgraduados.

• Oropeza-Mota, J. (2012). Notas del curso de Conservación del suelo y del agua. México: Departamento de Irrigación, Universidad Autónoma Chapingo.

• Poder Ejecutivo-SEMARNAT. (2002). Conservación del recurso agua. Norma Oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000. Diario Oficial de la Federación.

• Vélez, U. J., & Botero, G. A. (2011). Estimación del tiempo de concentración y tiempo de rezago en la cuenca experimental urbana de La Quebrada San Luis, Manizales. Dyna(165), 59-71.


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