UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS E.A.P. DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS
Diseño hidráulico óptimo de la tubería forzada de la Central Hidroeléctrica Yuracyacu
MONOGRAFÍA
Para optar el Título de Ingeniero Mecánico de Fluidos
AUTOR
Silvia Lorena López Villayzán
LIMA – PERÚ 2014
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
PRESENTACIÓN
De acuerdo al Reglamento de Grados y Títulos que cumple la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos y, habiendo cursado el X Curso de
Actualización Profesional; se presenta la Monografía técnica titulada “Diseño
Hidráulico Óptimo de La Tuberia Forzada de la Central Hidroelectrica
Yuracyacu”.
Agradezco el apoyo de los docentes tanto del curso de actualización
profesional como el de los que guiaron mi carrera universitaria durante mis años
de estudio en la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Meánica de
Fluidos.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
“DISEÑO HIDRÁULICO OPTIMO DE LA TUBERIA FORZADA DE LA CENTRAL
HIDROELECTRICA YURACYACU”
CONTENIDO
CAPITULO I
FUNDAMENTOS DEL ESTUDIO ……………………………………………………………………….2
1.2. OBJETIVOS.
1.2.1. OBJETIVO GENERAL.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
1.3 JUSTIFICACIÓN
1.4. ESQUEMA HIDRÁULICO
CAPITULO II
INFORMACIÓN BÁSICA
2.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO Y ACCESIBILIDAD …………………………………………..5
2.1.1. Ubicación
2.1.2 Accesibilidad y ámbito geográfico del Estudio
2.2. ASPECTOS FÍSICOS …………………………………………………………………………………6
2.2.1. Fisiografía y Topografía.
2.2.2. Clima
2.2.3. Hidrología
2.3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO …………………………………………………………………7
2.3.1. Obras de Captación
2.3.2 Canal desgravador
2.3.3 Partidor
2.3.4 Desarenador
2.3.5. Canal de conducción del desarenador a la Cámara de Carga
2.3.6 Sifón Shilcahuanca
2.3.7 Cámara de carga
2.3.8 Tubería forzada
2.3.9 Casa de máquinas
2.3.10 Equipamiento electromecánico
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
a) Turbinas
b) Válvula de guarda
2.4 ESTUDIOS BÁSICOS …………………………….………………………………………………….14
2.4.1 Cartografía y topografía
2.4.2 Trabajos de campo
2.4.3 Trabajo de gabinete
2.4.3 Hidrología y Sedimentología
2.4.3.1 Las cuencas de interés
2.4.3.2 Información básica usada en el Estudio
2.4.3.3 Caracterización meteorológica
2.4.3.4 Disponibilidad hídrica superficial
a) Caudal anual medio
b) Caudales mensuales
c) Caudales garantizados a nivel mensual y diario
d) Capacidad de regulación en las cuencas del río Guadalupe y la
quebrada Shilcahuanca
e) Caudales de máximas avenidas
2.4.3.5 Estudio Sedimentológico
a) Estimación del transporte de sedimentos
b) Conclusiones
2.4.4 Estudio Geológico y Geotécnico para la Central Hidroeléctrica
Yuracyacu
2.4.4.1 Geología
A. Geología Regional
B. Geología Local
2.4.4.2 Geodinámica Externa y su Relación con las Obras Proyectadas
2.4.4.3 Geotecnia
2.4.4.4 Sismicidad
A. Capacidad Admisible
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
CAPITULO III
3.1 DISEÑO DE LA TUBERÍA FORZADA ………………………………………………………..29
3.2 CALCULO DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA FORZADA
3.2.1 Consideraciones de diseño
3.2.2 Consideraciones teóricas
3.2.3 Determinación preliminar del diámetro de la tubería forzada
3.2.4 Determinación del Diámetro más Conveniente
a. Datos de cálculo
b. Metodología de Cálculo
3.3 CALCULO DEL ESPESOR DE TUBERÍA
3.4 CALCULO DE LAS PERDIDAS DE CARGA
4. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………….46
5. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………………………………………47
6.PLANOS
PLANO 01 (Esquema Hidráulico Yuracyacu)
PLANO 02 (Planta de Ubicación de la Tubería Forzada)
PLANO 03 (Tubería Forzada Planta)
PLANO 04 (Tubería Forzada Perfil Longitudinal)
PLANO 05 (Tubería Forzada detalle de anclajes) 1/4
PLANO 06 (Tubería Forzada Apoyos) 1/2
PLANO 07 (Tubería Forzada Apoyos)
PLANO 08 (Tubería Forzada Detalle de anclajes y secciones)
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
INTRODUCCIÓN
El esquema del aprovechamiento hidráulico mediante la C.H. Yuracyacu Salto
Único, está basado en el aprovechamiento hídrico del río Yuracyacu con un
caudal de diseño para la tubería 2 m3/s, y de la quebrada Shilcahuanca en 0.40
m3/s, en época de estiaje, para el afianzamiento del sistema hidráulico.
El potencial hidroeléctrico está definido por una caída bruta de 428,83 m,
comprendido entre las cotas 2,346.73 msnm y 1,917.90 msnm, que origina una
potencia de 7 MW cuyo equipamiento electromecánico será constituido por dos
grupos de 3.5 MW cada uno, comprendiendo una conducción de agua de 4.67
km y una tubería forzada de 897.25 m.
El alcance de dicho Esquema hidroeléctrico comprende también el Sistema de
Transmisión, conformado por una Línea de Transmisión en 22.9 kV y las
Subestaciones de la C.H. Yuracyacu y Real Aventura.
El proyecto hidroeléctrico está sustentado fundamentalmente en las
condiciones naturales del sitio, tales como las condiciones topográficas,
geológico-geotécnicas, patrón de comportamiento cuantitativo y cualitativo de
los recursos hídricos y su distribución durante el ciclo hidrológico y, finalmente,
en las condiciones de hidráulica fluvial del cauce en el tramo de captación.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
CAPITULO I
FUNDAMENTOS DEL ESTUDIO
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el Perú existe una creciente demanda de Energía Eléctrica debido al
crecimiento económico del país reflejada en mayores demandas por la industria,
el comercio y principalmente la Minería que requiere para sus operaciones de
mayores cantidades de energía. La creciente demanda de energía eléctrica,
impulsada por el crecimiento sostenido de la economía peruana, que en el año
2006 alcanzó una tasa de crecimiento del 4%, en el año 2008 alcanzó una tasa
de 11% y en el año 2013 una tasa de 5%, actualmente a pesar de la
desaceleración económica se proyecta un seguir con la tendencia de
crecimiento económico liderando el crecimiento económico en la región de
América Latina, esta coyuntura ha creado una problemática en el país; la falta
de crecimiento de la oferta eléctrica al ritmo de la demanda, que viene
repercutiendo en las restricciones del suministro y en las subidas sostenidas de
la tarifa eléctrica.
El desarrollo del Central Hidroeléctrica Yuracyacu, responde a esta creciente
falta de E.E. y su desarrollo está enmarcado en los planes de desarrollo
hidroenergético del país.
1.2. OBJETIVOS.
1.2.1. OBJETIVO GENERAL.
El objetivo de la presente monografía es el cálculo y diseño hidráulico a nivel
definitivo de la tubería forzada de la Central Hidroeléctrica Yarucyacu.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
- Determinar el diámetro más óptimo.
- Determinar el espesor de la tubería y su verificación para la condición
más extrema de operación.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
1.3 JUSTIFICACIÓN
Luego de la evaluación realizada, se ha podido determinar que tanto la cuenca
de Yuracyacu y la quebrada Shilcahuanca cuentan con un buen potencial hídrico,
la cual garantizará la construcción de la Central Hidroeléctrica Yuracyacu.
1.4. ESQUEMA HIDRÁULICO
El esquema de Aprovechamiento Hidroenergético aprovecha las aguas del río
Yuracyacu en 2.0 m3/s y de la quebrada Shilcahuanca en 0.4 m3/s, en época de
estiaje, a fin de afianzar las disponibilidades hídricas para la Central
Hidroeléctrica de Yuracyacu.
Este esquema comprende un desarrollo hidroeléctrico en una caída única. El
salto tiene una caída bruta de 428.83 m, comprendido entre las cotas 2,346.73
msnm y 1,917.90 msnm, y una caída neta de 417.75 m, con una potencia de
7.00 MW.
Las obras que comprende el esquema está conformado por una Bocatoma de
concreto armado y concreto ciclópeo, ubicada en la margen derecha del río
Yuracyacu en la cota 2,363 msnm, con capacidad para dar paso a una avenida de
84 m3/s, correspondientes a un período de retorno de 100 años, y para una
captación normal y en época de estiaje cuando se efectúe la limpieza de las
rejillas, la captación se hará en forma lateral mediante una ventana vertedora
ubicada en el muro derecho del canal de limpia. Esta estructura de captación
incluye un Aliviadero de Demasías para evacuar los excedentes captados,
permitiendo el paso al sistema hidráulico de un máximo de 2.6 m3/s.
El esquema integral de la central hidroeléctrica comprende el afianzamiento
hídrico mediante la captación de agua de la quebrada Shilcahuanca. Se muestra
a continuación.
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Fig. 1 : Esquema de la C.H. Yuracyacu
Finalmente el proyecto de la C.H. Yuracyacu queda conformado por los
siguientes componentes:
• Bocatoma
• Canal Desgravador
• Partidor
• Aforador
• Desarenador
• Canal de Conducción
• Cruce de canal con quebradas
• Sifón, cruce quebrada Shilcahuanca
• Cámara de Carga
• Aliviadero de Demasías
• Tubería Forzada
• Casa de máquinas
• Canal de descarga
• Accesos de Puente y vehicular.
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CAPITULO II
INFORMACIÓN BÁSICA
2.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO Y ACCESIBILIDAD
2.1.1. Ubicación
Geográficamente, el Proyecto se desarrolla en la margen derecha del río
Yuracyacu y con la captación, a partir de la cota 2,363 msnm hasta la Casa de
Máquinas en la cota 1,917 msnm, la misma que se ubica inmediatamente aguas
abajo de la confluencia de los ríos Yuracyacu y Parcoy, muy cerca de la cabecera
del aeropuerto de Pías. El Sistema de Transmisión se desarrolla desde la Casa de
Máquinas hasta la Subestación Existente del Consorcio Minero Horizonte
(CMHSA), a lo largo del río Parcoy; parte en la margen derecha y parte en la
margen izquierda.
Fig. 2 : Ubicación del Proyecto
Políticamente, el Proyecto se ubica en el distrito de Parcoy, provincia de Pataz,
Región La Libertad.
Las áreas de influencia directa del proyecto son los centros poblados de
Yuracyacu y Retamas.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
En principio, el área de influencia del Proyecto es local logrando satisfacer
parcialmente, en el corto y mediano plazo, la demanda de potencia y energía de
las operaciones minero metalúrgicas del CMH.
2.1.2 Accesibilidad y ámbito geográfico del Estudio
El acceso a la zona del Proyecto por vía terrestre, tomando como punto de
referencia la ciudad de Trujíllo, es mediante una carretera de aproximadamente
365 km de longitud. Esta vía será utilizada para el transporte de materiales de
construcción, como cemento, fierro y otros insumos, así como para el
transporte del equipamiento electromecánico.
Por vía aérea el acceso puede ser desde el Aeropuerto Jorge Chávez en Lima
hasta el aeropuerto de Píaz de propiedad de la CMH en un trayecto de 1 hora
15 minutos y desde la ciudad de Trujillo hasta Píaz en 45 minutos, Píaz esta
ubicado a 40 minutos de la zona del proyecto.
2.2. ASPECTOS FÍSICOS
2.2.1. Fisiografía y Topografía.
La zona de estudio se ubica en el marco occidental de la Cordillera Oriental, al
lado derecho del valle del río Yuracyacu; presenta un valle fluvial en forma de
"V", presenta una dirección NE-SO, con laderas de fuerte pendiente y relieves;
las cotas varían de 2,100 a 2,400 msnm.
Considerando el aspecto geomorfológico regional, la zona en estudio se
encuentra en el flanco occidental de la Cordillera Oriental que corresponde a la
etapa valle, disectada por Ladera Cordillerana. Las unidades geomorfológicas
más relevantes son: Cordillera Oriental, Faja Subandina y Unidad Valle.
2.2.2. Clima
La temperatura varía a lo largo del año y de acuerdo a la altitud. En base a la
información disponible se ha estimado un valor de 12°C como la temperatura
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
media anual de la cuenca del río Yuracyacu. En el año se tiene una temperatura
máxima media de 18.4°C y una temperatura mínima media de 3.9°C.
2.2.3. Hidrología
Se ha realizado el estudio de la cuenca del río Yuracyacu y de la quebrada
Shilcahuanca, a fin de determinar las disponibilidades hídricas para la Central
Hidroeléctrica de Yuracyacu.
Se tiene la información de evaporación total mensual de las estaciones de
Huamachuco (3,220 msnm) y Tayabamba (3.250 msnm). Los promedios
obtenidos del período 1964-2006 son 1,057.1 mm y 973.2 mm,
respectivamente.
El número de horas de sol en alturas Inferiores a 3,000 msnm es de
aproximadamente 10 horas desde abril hasta diciembre, mientras que a alturas
mayores los valores son más bajos. El máximo número de horas de sol diarias se
presenta en los meses de mayo a setiembre, cuando la formación de niebla es
menor.
La velocidad del viento mensual medida en la estación San Andrés en el período
2000 -2003 varía desde 1.3 m/s en los meses de enero y marzo hasta un máximo
de 8.2 m/s en el mes de agosto, la estación meteorológica de San Andrés se
encuentra ubicada en la intersección de las coordenadas UTM: 9’108,737.784 N;
232,009.926 E. Esta estación es de propiedad de MARSA
2.3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
El Proyecto Hidroeléctrico, además de las obras hidráulicas señaladas en el item
1.4 comprende tres conjuntos de obras:
- Obras civiles y Áreas Complementarias (comprende los componentes
hidráulicos)
- Equipamiento Electromecánico: conformado por el equipo
hidromecánico y el equipo electromecánico.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
- Subestaciones y Línea de Transmisión, conformado por tres
Subestaciones y una Línea de Transmisión y comprendido entre la
Subestación CH. Yuracyacu y la Subestación existente SED CMH-01. La LT
se divide en Tramo I y Tramo II.
El conjunto de obras del desarrollo hidroeléctrico permitirá la captación,
conducción y aprovechamiento del agua del río Yuracyacu, en 2.0 m3/s, y de la
quebrada Shilcahuanca, en 0.40 m3/s, en época de estiaje con la finalidad de
afianzar la disponibilidad hídrica de la Central Hidroeléctrica de Yuracyacu, Salto
Único.
La C.H. Yuracayacu tendrá una potencia total de 7.00 MW, implementado con
dos grupos de 3.50 MW cada uno.
El conjunto de Obras Hidráulicas de la Central Hidroeléctrica Yuracyacu, Salto
Único, comprende las siguientes estructuras:
• Bocatoma
• Canal desgravador
• Partidor
• Aforador
• Desarenador
• Conducción
• Cruce de canal con quebradas
• Sifón, cruce quebrada Shilcahuanca
• Captación y conducción Shilcahuanca
• Cámara de carga
• Aliviadero de Demasías
• Tubería forzada
• Casa de máquinas
• Canal de descarga
• Accesos y puente vehicular
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
En la presente monografía se abordará el diseño de la Tubería Forzada
A continuación se efectúa una breve descripción de cada una de las estructuras
indicadas:
2.3.1. Obras de Captación
La toma se ubica en el río Yuracyacu en la cota 2,363 msnm. Es una estructura
conformada por concreto armado y concreto ciclópeo, además de un enrocado
que proporciona continuidad al barraje hasta empalmar con el cauce del río.
La estructura de la bocatoma tales como el barraje, así como los muros de
encauzamiento está diseñada para dar paso al caudal de avenida máxima en el
río que es de 84 m3/s, para un periodo de retorno de 100 años y, el caudal para
el diseño de la captación es 2.00 m3/s, pudiendo ingresar a la toma un caudal
máximo de 7.1 m3/s, cuando se produzca el caudal de avenida máxima en el río.
La altura de muros de encauzamiento también se verifica para el caudal de
avenida de 99 m3/s, correspondiente a un periodo de retorno de 500 años.
Por ser la pendiente del río 20% en la zona de emplazamiento de la bocatoma,
se ha considerado una toma del tipo Tirolesa, teniendo en cuenta, que se ha
observado además, un cauce estabilizado y con un arrastre moderado de
sedimentos.
2.3.2 Canal desgravador
Es una estructura de concreto armado de sección rectangular cerrado cuya
función es retener toda partícula sólida igual o menor a 0.30 m a lo largo del
canal y que logre ingresar por la rejilla de fondo de la captación para finalmente
ser evacuada al río en el partidor.
El primer tramo del canal desgravador que forma parte de la bocatoma tiene
una longitud de 10.30 m y la cota de piso va de 2,358.13 a 2,357.69 msnm.
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
2.3.3 Partidor
Es una estructura de concreto armado que permite descargar el agua del río,
para la limpieza del canal desgravador o derivar el agua al sistema de
conducción. Se ubica al final del canal desgravador y sirve de conexión a éste
con el canal que va hacia el desarenador.
2.3.4 Desarenador
La conducción posee un desarenador, que va de la progresiva 0+109,97 a
0+169,82. El caudal de diseño de esta estructura es de 2.00 m3/s, el de limpieza
es 0.20 m3/s y el caudal máximo en el desarenador es 2.26 m3/s.
El desarenador consta de una sola nave con capacidad de retención de
sedimentos de 0.2 mm o más y de un canal en by-pass con un aliviadero al final
del mismo.
2.3.5. Canal de conducción del desarenador a la Cámara de Carga
Desde la salida del desarenador hasta la entrega a la cámara de carga de la
central (Salto Único), el canal de conducción va en media ladera; en la mayor
parte de la conducción el talud natural es más empinado que 35° o sea que no
es posible hacer compensación de excavación y relleno, por lo que toda la
plataforma donde se excavará la caja de canal tiene que ir en corte.
Los diferentes tipos de sección se han seleccionado de acuerdo a las
características geotécnicas del terreno en las que estará asentado el canal,
habiéndose inclusive evaluado la alternativa de totalidad del canal cubierto,
utilizando tuberías de PVC perfilados resultando algo más costoso que la de
sección trapezoidal con algunos tramos cubiertos. En su recorrido se tiene los
siguientes tipos de sección:
- Canal abierto de sección rectangular de dimensiones: 1,00 x 1,75 m,
1,00 x 1,75 m (túnel)
- Canal abierto de sección trapezoidal de plantilla 0,60 m, talud 1:1 y
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
altura 1,12 m
- Canal en conducto cubierto, de sección circular de 1,25 m de diámetro
- Canal en conducto cubierto, de sección rectangular de dimensiones:
1,00 x 1,75 m, 1,30 x 1,40 m
En todos los tipos de sección del canal, la pendiente longitudinal considerada es
de 0,0015 m/m; es decir, 1.5 m por km, con el fin de conseguir la mayor altura
del Salto.
2.3.6 Sifón Shilcahuanca
La conducción cruza la quebrada Shilcahuanca mediante un sifón que va desde
la progresiva 2+211.75 hasta la progresiva 2+650.54; dado lo abrupto de los
flancos de la quebrada se ha seleccionado tubería de acero por acomodarse
mejor al montaje en dichas circunstancias y ser menos vulnerable a posible
caída de piedras de los taludes de corte resultantes.
Se seleccionará el diámetro a partir de una velocidad mínima que permita
arrastre de material en el conducto y que a su vez minimice la pérdida de carga;
esta velocidad es 2.5 m/s, así el diámetro obtenido es de 0.95 m, la longitud de
desarrollo del conducto es de 554.5 m y la pérdida de carga para el caudal de 2
m3/s es de 4.56 m.
A lo largo del sifón se han implementado 12 codos e igual número de bloques de
anclaje, localizados en los cambios de dirección.
La transición de salida se ubica entre la progresiva 2+647.54 y 2+650.54; tiene
3.0 m de longitud y un ancho inicial de 0.95 m, empalma con la sección
trapezoidal del canal. La cota de rasante del canal al final de la transición es
2,348.93 msnm.
La tubería irá expuesta en los flancos y enterrada en el fondo, bajo el cauce de la
quebrada Shilcahuanca.
2.3.7 Cámara de carga
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El canal de conducción empalma a la cámara de carga en la progresiva 4+673,19
y cota de rasante 2 345,93 msnm, siendo la sección del canal de tipo trapezoidal
y el caudal de diseño 2,0 m3/s. La cota superior de la cámara de carga es 2
347,43 msnm.
La cámara de carga tiene como dimensiones interiores una longitud de 37,30 m
y un ancho de 4,35 m. Debido a la pendiente natural del terreno de 0,52:1,0
(H:V), se ha considerado una estructura lo más robusta posible que evite
grandes cortes o grandes volúmenes de concreto.
2.3.8 Tubería forzada
Finalizado los cálculos, la tubería forzada tendrá un diámetro de 850 mm con un
espesor variable, cuyas características se aprecian en el cuadro N° 01
Cuadro N° 1 : Caracteristicas de la tubería forzada
El diseño de los anclajes y de los apoyos ha definido 11 tramos de tubería de
acero desde la Cámara de Carga, hasta la casa de máquinas divididos por 10
anclajes (con sus respectivas juntas de dilatación). Antes de llegar la tubería
forzada a la Casa de Máquinas, se divide en dos ramales (pantalón) de diámetro
400 mm que van a dar a los dos grupos generadores de la Casa de Máquinas.
Esta bifurcación está anclada en concreto.
A - B 2.42 3.11 6.00 3.14 3.14B - 1 2.42 5.17 6.00 75.50 78.64 1 - 2 45.34 7.62 8.00 86.92 165.56 2 - 3 96.73 10.48 10.00 108.03 273.59 3 - 4 156.48 12.16 12.00 73.47 347.06 4 - 5 190.73 13.10 12.00 30.28 377.34 5 - 6 210.50 15.64 15.00 81.74 459.08 6 - 7 264.48 18.86 18.00 105.67 564.75 7 - 8 332.73 22.14 22.00 125.09 689.84 8 - 9 400.73 23.07 22.00 77.82 767.66
9 - 10 417.24 23.75 25.00 111.17 878.83 10 - 11 425.17 24.01 25.00 18.42 897.25 11 - 12 429.94 24.04 25.00 10.00 907.25
LONGITUD TRAMO DE
LA TUBERÍA
(m)
LONGITUD ACUMULADA
(m)
PRESIÓN DE CARGA DE AGUA
(m)TRAMO
ESPESOR CALCULADO
(mm)
ESPESOR MÍNIMO RECOMENDADO
(mm)
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
La tubería metálica cuenta con apoyos deslizantes ubicados cada 7.00 m, 8.00
m, 9.00 m, según el tramo que corresponde, a todo lo largo de la tubería
forzada.
En su recorrido a media ladera, la tubería forzada cruza un camino de acceso
vehicular para lo cual se ha proyectado un puente vehicular, conformado por
una losa de concreto armado apoyada en pilares de concreto ciclópeo.
2.3.9 Casa de máquinas
La casa de máquinas es una estructura aporticada con cimentación tipo losa y
zapatas; las dimensiones exteriores son 27,60 x 20,95 m con una altura de 7,50
m más la cobertura. Los muros serán de albañilería con columnas de concreto
armado de resistencia 210 kg/cm2.
2.3.10 Equipamiento electromecánico
La casa de máquinas de la central alberga dos unidades de generación, con sus
correspondientes equipos de regulación de velocidad y tensión, equipos de
control, mando, protección y medición.
a) Turbinas
Las turbinas serán del tipo Pelton, de eje horizontal y dos inyectores diseñadas
para las siguientes condiciones:
- Altura neta: 417.70 m
- Caudal nominal: 1.00 m3/s
- Potencia al eje: 3,640 kW
- Velocidad de rotación: 900 rpm
b) Válvula de guarda
Aguas arriba de cada turbina se instalará una válvula de guarda tipo esférica de
400 mm de diámetro nominal, cuya operación de cierre y abertura estará
programada en la secuencia de arranque y parada de la unidad, de tal manera
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
que cierra cuando la unidad para y abre para poner en marcha la unidad.
2.4 ESTUDIOS BÁSICOS
2.4.1 Cartografía y topografía
Los trabajos topográficos tienen como objetivo representar la superficie
topográfica y detalles de planimetría que servirán para el diseño y construcción
de la bocatoma y desarenador, así como para el trazo de tuberías, canales y
túneles proyectados.
a) Especificaciones Técnicas
Sistema de coordenadas
- Proyección Universal Transversal Mercator (UTM)
- Datum Horizontal: WGS 84
- Datum Vertical: Nivel medio del mar
- Zona: 18
2.4.2 Trabajos de campo
Reconocimiento de terreno
Se realizó un recorrido del área en estudio a fin de definir los alcances y límites
del levantamiento y, a su vez, ubicar puntos de control geodésicos y
topográficos existentes en la zona, los cuales se usaron para realizar los trabajos
topográficos.
Control horizontal y vertical
A partir de los puntos geodésicos Yuracyacu y El Sitio, se establecieron puntos
auxiliares necesarios denominados CSL1 al CSL19 a lo largo del acceso que
comunica al aeropuerto y la zona donde se proyecta ubicar la bocatoma, para
tener una total cobertura del área de trabajo.
Previamente se verificaron las coordenadas geodésicas de los puntos base y
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
luego se establecieron los puntos auxiliares con Estación Total, tomándose las
medidas mediante dos series de reiteración, para garantizar la precisión del
trabajo.
Levantamiento topográfico
El levantamiento del área en estudio se realizó mediante taquimetría con
Estación Total a partir de los puntos de control geodésico base y de los puntos
auxiliares topográficos antes mencionados, teniendo como inicio la zona donde
se proyecta la bocatoma y desarenador Yuracyacu, como punto medio la
quebrada Shilcahuanca, y como punto final el poblado de Yuracyacu y
aeropuerto de Pías.
2.4.3 Trabajo de gabinete
a) Cálculo de coordenadas
Se ha ejecutado el cálculo de coordenadas de todos los puntos auxiliares
establecidos para servir de apoyo al levantamiento topográfico. Se ha utilizado
como referencia las coordenadas geodésicas de los puntos Yuracyacu.
b) Procesamiento de la data topográfica
La data topográfica de los registros de memoria de la Estación Total se procesó
haciendo uso del software Autocad Civil 3D, con el cual se realizó el
modelamiento 3D del terreno, a partir del cual se procedió a generar las curvas
de nivel respectivas con equidistancia de un metro. Para el cálculo de las
coordenadas se utilizó las coordenadas de Datum WGS-84
2.4.3 Hidrología y Sedimentología
El estudio hidrológico de la cuenca del rio Yuracyacu tiene por objetivo estimar
la disponibilidad hídrica superficial de las cuencas correspondientes a las
alternativas de aprovechamiento hidroenergético estudiadas, así como la
capacidad de regulación en las cuencas comprendidas. Se determina además los
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
caudales de máximas avenidas para adoptar los caudales de diseño de las obras
hidráulicas y sus riesgos asociados. Se establecen, también, las características
sedimentológicas de los puntos de interés.
2.4.3.1 Las cuencas de interés
Las cuencas de Interés corresponden al río Yuracyacu y a la quebrada
Shilcahuanca, afluente del río Yuracyacu. Ambas forman parte del sistema
hidrográfico del río Parcoy.
El área de la cuenca hasta la bocatoma del río Yuracyacu es de 84.27 km2 y de la
bocatoma en la quebrada Shilcahuanca es de 29.34 km2.
2.4.3.2 Información básica usada en el Estudio
No existe información hidrometeorológica dentro de la cuenca, por lo que se ha
recopilado información hidrometeorológica de las cuencas vecinas,
principalmente de las cuencas de los ríos Crisnejas y Llaucano, pertenecientes a
la cuenca del río Marañón.
Además se cuenta con información de medidas puntuales de caudales
realizados en diferentes puntos de las cuencas de estudio. Analizando los aforos
realizados, se concluye que los valores medidos en mayo, junio y julio de 2007
en la quebrada Shilcahuanca son incorrectos, así como el valor medido en enero
del 2007 en uno o todos los puntos de aforo analizados, ya que se observan
caudales mayores en las cuencas más pequeñas.
Debe señalarse que el período de medición, inferior a tres años completos, no
permite obtener estadísticas representativas con los aforos realizados, por lo
que solamente pueden ser comparados en forma referencial.
Los aforos en el río Guadalupe son comparables al caudal de la bocatoma
ubicada en el río Yuracyacu; se observa que en julio de 2007 se ha medido un
caudal de 0.52 m3/s. Los aforos del río Shilcahuanca muestran un valor mínimo
en agosto de 2007 de 0.24 m3/s.
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2.4.3.3 Caracterización meteorológica
El estudio pluviométrico ha permitido caracterizar la cuenca. Se analizó la
variación de la precipitación con la altitud asumiendo un mecanismo de
precipitación orográfico. En base a la precipitación media anual del período
1964-2006 de las estaciones disponibles, se intentó obtener la correlación
precipitación vs altitud, pero no fue posible encontrar una correlación
aceptable; sin embargo, es válido admitir un valor de 1000 mm como
precipitación media de las cuencas estudiadas.
2.4.3.4 Disponibilidad hídrica superficial
a) Caudal anual medio
En primer lugar, se determinó el caudal medio anual en la cuenca de estudio
mediante dos procedimientos; el primero consistente en un ajuste regional del
caudal medio anua! en función del área de la cuenca y el segundo mediante un
análisis de Zonas de Vida. Aunque el método regional y el promedio de este
método con el de Zonas de Vida dan lugar a un caudal específico que es
comparativamente alto en relación al rendimiento hídrico adoptado para la C.H.
Pías, a la luz de la comparación de los rendimientos de las estaciones
hidrométricas utilizadas, se decidió adoptar el promedio de los dos métodos
utilizados como representativo de las obras de captación de la C.H. Yuracyacu.
Los resultados obtenidos se muestran en el cuadro N° 2
Cuadro N° 2 Caudal Anual Medio
Yuracyacu 84,27 1,390 1,41 1,401Shilcahuanca 29,34 0,808 0,46 0,632Total 113,61 2,198 1,87 2,034
CuencaÁrea km2
Caudal Anual Medio
En función del Área m3/s
Según el método de las
Zonas de Vida m3/s
Adoptadom3/s
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b) Caudales mensuales
Para explicar la variabilidad de los caudales y obtener el caudal garantizado se
ha considerado conveniente adoptar la curva de duración adimensional de
Garganta Namora, de la cuenca del río Cajamarca, como representativa de la
variabilidad de los caudales en las cuencas estudiadas.
c) Caudales garantizados a nivel mensual y diario
Para el diseño de centrales hidroeléctricas es necesario determinar la curva de
duración de los caudales diarios del período más largo posible. En primer lugar
se calculó el caudal garantizado a partir de los caudales mensuales: luego, se
calculó el coeficiente que relaciona el caudal garantizado a nivel diario con el
caudal garantizado a nivel mensual para distintas persistencias usando las
curvas de duración de los caudales diarios de la estación Garganta Namora del
período 1968-1973 y de los caudales mensuales del mismo período, que se
muestran en el cuadro 3 Usando este coeficiente se determinó los caudales
garantizados a nivel diario en las cuencas de interés.
Cuadro N° 3 Caudales Garantizados a nivel mensual y diario en las cuencas de
interés (1964-2006) (m3/s)
Los caudales garantizados el 95% del tiempo a nivel diario son 0.202 m3/s para
la bocatoma Yuracyacu y 0.091 m3/s para la bocatoma Shilcahuanca.
MENSUAL DIARIO MENSUAL DIARIOCaudal Mínimo = 0,084 0,056 0,038 0,025Q95% 0,219 0,202 0,099 0,091Q90% 0,258 0,261 0,117 0,118Q85% 0,292 0,267 0,132 0,120Q.75% 0,361 0,294 0,163 0,133Q50% 0,947 0,753 0,427 0,340Q15% 2,705 2,670 1,220 1,204Q2% 5,341 6,204 2,409 2,799Caudal Máximo = 8,061 17,541 3,636 7,913Caudal Medio = 1,401 1,401 0,632 0,632
BOCATOMA YURACYACU BOCATOMA SHILCAHUANCA
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
d) Capacidad de regulación en las cuencas del río Guadalupe y la quebrada
Shilcahuanca
Se analizó la capacidad de regulación en las cuencas del río Guadalupe y de la
quebrada Shilcahuanca, considerando la posibilidad de utilizar vasos naturales o
aumentar el volumen de agua almacenado en las lagunas de carácter
permanente mediante pequeñas presas o diques para regular sus descargas en
las épocas de superávit para utilizarlas en las épocas de estiaje.
En primer lugar, se identificó los posibles puntos a regular. Uno en la quebrada
Shilcahuanca, en la laguna La Perina y el resto en la cuenca del río Guadalupe,
aprovechando las lagunas Biguela o Negra, Tres Lagunas y La Laguna. Además se
considera la posibilidad de captar el agua de los afluentes al río Tres Pampas,
ubicados a la izquierda y derecha de la Laguna para captar el agua de estas
cuencas y conducirla mediante canales de conducción a la laguna mencionada,
donde sería almacenada.
Luego se procedió a calcular el volumen del almacenamiento requerido para
almacenar el caudal medio anual de cada sitio, para el cual se cumple que el
superávit anual es mayor que el déficit anual, entonces habrá agua suficiente
para regular el caudal medio durante todo el año. Dado que en los meses de
déficit los ríos no se secan existiendo un aporte de la cuenca, el volumen del
reservorio requerido es la suma de las diferencias entre el volumen de
suministro mensual y el volumen de demanda en el período de déficit. En el
cuadro N° 4 se muestra el cálculo del volumen del reservorio requerido para
regular el caudal medio anual de la cuenca.
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Cuadro N° 4 Cálculo del Volumen Útil del Reservorio Requerido para Regular el
Caudal Medio Anual
El volumen del reservorio requerido es igual a la suma de déficit, en el caso de
La Laguna es de 1,253 MMC. Se ha incluido también la alternativa de La Laguna
con Derivaciones Izquierda y Derecha, La Laguna, D.l. y D.D. Los resultados se
resumen en el cuadro N° 5
Cuadro N° 5 Volumen Útil del Reservorio para regular el Caudal Medio Anual
e) Caudales de máximas avenidas
Se calcularon las máximas avenidas para el diseño de las bocatomas ubicadas en
el río Yuracyacu y en la quebrada Shilcahuanca. Se calculó también el caudal de
máximas avenidas para el río Parcoy en las inmediaciones de la casa de
Laguna La Perina 0,072 1,41 0,847 1,507 0,660Lag. Biguela 0,065 1,28 0,769 1,370 0,600Tres Lagunas 0,049 0,97 0,583 1,039 0,455Embalse El Ramal 0,112 2,20 1,319 2,348 1,029La Laguna 0,136 2,67 1,606 2,858 1,253Lado Derecho Lag. La Laguna 0,181 3,56 2,137 3,804 1,667La Laguna, D.l. y D.D. 0,429 8,43 5,06 9,01 3,950
VOLUMEN ÚTIL DEL
RESERVORIO MMC
Q MEDIOm3/s
VOLUMEN ACUMULADO
EN EL PERÍODO DE SUPERAVIT
ANUAL MMC
VOLUMEN ACUMULAD
O EN EL PERÍODO DE
DÉFICIT ANUAL MMC
VOLUMEN DE
DEMANDA EN 8 MESES
MMC
Laguna La Perina 0,072 0,660Lag. Biguela 0,065 0,600Tres Lagunas 0,049 0,455Embalse El Ramal 0,112 1,029La Laguna 0,136 1,253Lado Derecho Lag. La Laguna 0,181 1,667La Laguna, D.l. y D.D. 0,429 3,950
VOLUMEN UTILDEL
RESERVORIO MMC
Q MEDIOm3/s
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máquinas de la C.H. Yuracyacu así como los valores de diseño para las obras de
arte en el canal.
Los resultados se resumen en el cuadro N° 6 cómo se puede observar los
caudales máximos instantáneos para períodos de retorno de 100 años para las
bocatomas de Yuracyacu y Shilcahuanca son 85 m3/s y 32 m3/s,
respectivamente.
Cuadro N° 6 Caudales Máximos Instantáneos calculados en cada Bocatoma con
el Método Hidrometeorológico
2.4.3.5 Estudio Sedimentológico
a) Estimación del transporte de sedimentos
Se consideró conveniente adoptar los valores del transporte en suspensión con
las mediciones realizadas en la estación Tingo Chico. Utilizando estos valores se
ha determinado el caudal sólido correspondiente a cada cuenca, determinando
el aporte total, en peso, de sedimentos en suspensión. Con un peso específico
de sólidos en suspensión igual a 1,350 kg/m3, se ha determinado el volumen
anual de sedimentos en suspensión.
Para determinar la relación entre el transporte de sólidos en suspensión y el de
fondo se ha considerado que según el método de Lañe y Borland (USBR) el
porcentaje de sólidos de fondo con respecto al de suspensión varía entre 5% a
12% para concentraciones menores a 1,000 ppm y con lechos compuestos por
5 49 1810 59 2220 68 2550 78 29
100 85 32500 99 371000 105 39
Bocatoma Yuracyacu
m3/s
Bocatoma Shilcahuanca
m3/s
Período de RetornoAños
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
arcillas compactas, arenas y gravas de mediano a pequeño tamaño. En el
presente estudio se asumió el 15%. Para el cálculo del transporte de fondo se ha
considerado el peso específico de sólidos igual a 2,600 kg/m3.
Los aportes de sedimentos en transporte de fondo y en suspensión para 1 año,
para la cuenca de la bocatoma ubicada en el río Yuracyacu se tiene 25,205 t/año
y para la cuenca de la bocatoma ubicada en la quebrada Shilcahuanca se tiene
4,722 t/año.
b) Conclusiones
Los caudales medios mensuales determinados en estudios anteriores del río
Yuracyacu y Quebrada Shilcahuanca se observan sobreestimados. El estudio
efectuado por CMH reporta un rendimiento de 20 l/s/km2.
Del análisis hidrológico efectuado se obtiene los siguientes resultados:
- El caudal medio anual en el río Yuracyacu es de 1.40 m3/s y el caudal
garantizado al 95% de persistencia es de 0.20 m3/s.
El caudal medio anual en la quebrada Shilcahuanca es de 0.63 m3/s y el caudal
garantizado al 95% de persistencia es de 0.09 m3/s.
Se calculó el volumen del reservorio requerido para regular el caudal medio
anual de diferentes emplazamientos de presas. Se recomienda considerar la
alternativa de conducir el agua de los afluentes de las márgenes derecha e
izquierda del río Tres Pampas hacia La Laguna, regulando además su propia
cuenca. El caudal medio anual calculado en este caso es 0.429 m3/s y el volumen
del reservorio requerido para regularlo es 3.95 MMC.
Los caudales máximos Instantáneos para períodos de retorno de 100 años para
las bocatomas de Yuracyacu y Shilcahuanca son 85 m3/s y 32 m3/s,
respectivamente.
El caudal máximo en el río Parcoy en las inmediaciones de la casa de máquinas,
|23
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
para un periodo de 1,000 años es 299.3 m3/s.
Los aportes de sedimentos en transporte de fondo y en suspensión para 1 año
estimados, para la cuenca de la bocatoma ubicada en el río Yuracyacu son
25,205 t/año y para la cuenca de la bocatoma ubicada en la quebrada
Shilcahuanca son 4,722 t/año.
2.4.4 Estudio Geológico y Geotécnico para la Central Hidroeléctrica Yuracyacu
Como parte de la ingeniería básica de la C.H. Yuracyacu, se ha realizado la
evaluación geológica – geotécnica para determinar:
- Las condiciones de cimentación de: la bocatoma, partidor, desarenador,
canal de conducción, cámara de carga, tubería de presión, aliviadero y
casa de máquinas.
- La estabilidad del talud rocoso de la margen derecha del desarenador y
del talud por donde cruza el canal de conducción.
- Estabilidad del túnel de conducción y sifón.
Para tal fin se ha llevado a cabo un programa de investigaciones geotécnicas que
consistieron en la inspección técnica de las áreas de interés, excavación de
calicatas, trincheras, ensayos DPL, evaluación geomecánica del macizo rocoso y
extracción de muestras de suelo y roca para ser ensayadas en el laboratorio.
El objetivo del presente Estudio Geológico Geotécnico está orientado a conocer
las condiciones geológicas de la zona del proyecto, con el fin de aprovechar los
caudales de los ríos Guadalupe y Yuracyacu habiéndose desarrollado los
siguientes trabajos de campo: Levantamiento geológico, geodinámica externa,
estructural; geotécnicamente evaluar el subsuelo con fines de cimentación del
canal de conducción de la cámara de carga, tubería forzada, aliviadero y casa de
máquinas; del mismo se realizaron los ensayos de laboratorio respectivos y la
evaluación de la estabilidad de los taludes que involucra el proyecto.
|24
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
2.4.4.1 Geología
A. Geología Regional
Regionalmente las rocas que afloran en la zona del Proyecto son esquistos y
pizarras del Complejo Metamórfico del Marañón, cuerpos graníticos,
granodiorita que corresponden al batolito de Pataz y rocas sedimentarias
clásticas y carbonatadas del Cretáceo de la Formación Crisnejas; rocas areniscas,
limonitas y lutitas que pertenecen a la Formación Chota.
La característica estratigráfica, identificada a través del mapeo geológico
superficial, está compuesta por un conjunto de unidades litoestratigráficas
cuyas edades van desde el Precámbrico hasta el Cuaternario y están
representadas por el Complejo del Marañón (Pecm), Grupo Ambo (Ci-a),
Formación Lavasen (Csp-I), Formación Mitu (Ps-m), Grupo Pucará (Tr-Ji-pu),
Formación Crisnejas (Kis-cr), Formación Chota (KsP-ch) y rocas intrusivas como
granodiorita del Batolito de Pataz; estas unidades en algunos casos se
encuentran parcialmente cubiertas por depósitos coluviales (Q-co), aluviales de
quebradas [(Q-al(q)] y fluviales (Q-fl),
A través del mapeo geológico de superficie realizado en la zona de estudio, se
observó fenómenos geodinámicos que producen generalmente una
combinación de condiciones geológicas, morfológicas e hidrológicas con acción
del agua por el sistema pluvial e hidrogeológico; los fenómenos naturales que se
aprecian son: deslizamientos de masas de tierra, caída de rocas, reptaciones,
hundimientos, inundaciones y eventos, ocurridos en el pasado y en periodos
recientes.
B. Geología Local
Esta fase consistió en definir la conducción del Salto Único desde el punto de
vista geológico - geotécnico con la finalidad de dar seguridad al proyecto de la
Central Hidroeléctrica Yuracyacu.
Litológicamente la zona de estudio se encuentra conformada de la siguiente
|25
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
forma: el macizo rocoso del Batolito de Pataz está constituido por cuarzo
monzonita, granito, granodiorita, y roca meteorizada cubiertas por una capa de
depósitos coluviales del pleistoceno y recientes, seguida por materiales
residuales.
Estructuralmente obedece principalmente a procesos tectónicos de compresión
post -batolito, originando que las rocas intrusivas se encuentren fracturadas, lo
que ocasiona que los taludes rocosos se muestren de estables a inestables.
La deformación por esfuerzos tectónicos se manifiesta con un plegamiento
abierto y luego una tectónica tensional, originando fallas normales,
diaclasamientos, fracturamientos y agrietamientos. Se realizaron estaciones
geomecánicas con el propósito de identificar los diaclasamientos y principales
familias de afloramiento rocoso.
A continuación se describe la evaluación geológica local de conducción.
2.4.4.2 Geodinámica Externa y su Relación con las Obras Proyectadas
Se observaron fenómenos geodinámicos producidos generalmente por las
combinaciones de las condiciones geológicas, morfológicas e hidrológicas y por
la acción del agua durante el ciclo pluvial e hidrogeológico.
En el tramo I; la bocatoma se emplazará en depósitos fluvio aluviales y en la
margen derecha se aprecia una terraza de buena compacidad, en contacto con
el afloramiento rocoso" moderadamente fracturado tipo II; no se aprecia
problemas de riesgo geodinámico; aguas arriba de la bocatoma a unos 70 m se
identificó un deslizamiento antiguo, en posición estable, que ha encontrado su
grado de estabilidad y actualmente se está forestando.
El desarenador se emplaza en una terraza aluvial; el talud superior en la margen
derecha se encuentra conformado por un afloramiento rocoso fracturado tipo II,
presenta indicios de desprendimiento de rocas (caída de rocas).
En el trazo del canal de conducción se identificaron deslizamientos superficiales,
|26
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
agrietamientos, desprendimiento de roca, atraviesa 8 quebradas de las cuales
las que presentan problemas de filtración e inundación son la sexta y octava
quebrada. El cauce de las quebradas tiene mayor incidencia durante los meses
de lluvias (diciembre a marzo).
En el tramo II se ha identificado pendiente abrupta en el área del sifón donde
podría ocurrir desprendimiento de bloques de roca durante el proceso
constructivo. En el trazo del canal de conducción en la progresiva 2+680 se
aprecia un pequeño deslizamiento en forma de media luna; también se
identifica un sector crítico en la progresiva 3+100 desprendimiento de roca
suelta y durante el proceso constructivo se recomienda desquinchar antes de
efectuar cortes de talud.
También se identifica varias quebradas entre pequeñas y grandes actualmente
secas; el material predominante es coluvial antiguo y material de quebrada que
no presentan problemas geodinámicos.
En el sector de la tubería forzada en la progresiva 0+100 aproximadamente, en
la margen derecha, se aprecia escarpa de roca.
El sector de la casa de máquinas en épocas de avenida puede ser inundada por
el río Yuracyacu. Para su protección se recomienda reforzar el dique existente.
2.4.4.3 Geotecnia
A fin de determinar las características, propiedades y calidad de los materiales,
así como el uso del material de cada cantera, se efectuaron los ensayos
pertinentes con las muestras obtenidas en la investigación de campo. Los
ensayos se realizaron considerando las normas técnicas vigentes:
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Cuadro N° 7 Relación de Ensayos de Laboratorio para el Estudio de Canteras
2.4.4.4 Sismicidad
La zona de estudio se encuentra en la Zona 3 de la Zonificación Sísmica del Perú,
por lo tanto los parámetros geotécnicos correspondientes al terreno de
fundación para todas las estructuras son los siguientes:
- Tipo de Suelo S3
- Período predominante Tp = 0,9 s
- Factor de suelo S=1,4
Para la condición específica del proyecto se considera un coeficiente sísmico de
0.18 g para la evaluación de estabilidad por el método de equilibrio límite.
A. Capacidad Admisible
La capacidad admisible de los suelos granulares está dada por la fórmula de
Terzaghl y Peck (1967) en la cual se incluyen los parámetros de Vesic (1973).
Tomando en cuenta estos criterios se obtienen los siguientes resultados:
Ensayo NormaContenido de humedad ASTM D 2216Análisis granulométrico por tamizado agregado grueso ASTM C -136Análisis granulométrico por tamizado agregado fino ASTM C- 136Equivalente de arena ASTM D-2419-02Gravedad específica y absorción del agregado fino ASTM C- 128-04Gravedad específica y absorción del agregado grueso ASTM C- 127 -88Durabilidad con sulfato de sodio ASTM C- 88Peso unitario agregado grueso ASTM C-29Peso unitario agregado fino ASTM C-29Abrasión (máquina de los ángeles) ASTM - C131Impurezas orgánicas ASTM - C- 40Análisis químicos del suelo y agua ASTM - D 1889Alcali Silce ASTM - C 289-03
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Cuadro N° 8 Cálculo de la Capacidad Admisible por Resistencia
Donde:
Df = Profundidad de cimentación
Qu = Carga última
Qad= Capacidad admisible del suelo (con factor de seguridad de 3)
Ubicación Estructura TipoDf
(m)
BxL
(m)
Qu
(kg/cm2)
q ad
(kg/cm2)
0+0,000 al 0+021,73 Bocatoma Platea 5,00 5,00x15,00 14,80 4,90
Canal de conducción
0+021,73 al 0+053,02Conducto Cubierto Corrida 2,35 1,50x10,00 6,10 2,00
0+053,02 al 0+069,21 Planta Partidor Rectangular 3,00 2,70x5,00 9,10 3,00
0+093,20 al 0+097,94 Aforador Corrida 2,20 2,00x10,00 5,20 1,70
Platea 1,50 6,00x6,00 5,80 1,90
Platea 0,50 6,00x6,00 3,40 1,10
Corrida 2,00 1,40x6,00 4,50 1,50
Canal de conducción
0+169,82 al 0+174Canal rectangular Corrida 2,00 1,40x10,00 5,20 1,70
Canal de conducción
0+203,62 al 0+228Conducto cubierto Corrida 2,00 1,40x10,00 3,90 1,30
Canal de conducción
0+388,81 al 0+414Conducto cerrado Corrida 2,00 1,4x10,00 3,90 1,30
Canal de conducción
0+414 al 0+563Tubería Corrida 2,40 2,2x10,00 5,00 1,70
Canal de conducción
0+563 al 0+630Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 1,70 0,60
Canal de conducción
0+630 al 0+750,12Tubería Corrida 2,35 2,20x10,00 3,90 1,30
Canal de conducción
0+750,12 al 0+895,43Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 1,70 0,60
Canal de conducción
0+895,43 al 0+955,44Tubería Corrida 2,35 2,20x10,00 3,90 1,30
Canal de conducción
0+955,44 al 1+149Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 1,70 0,60
Canal de conducción
1+149 al 1+232,36Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 1,70 0,60
Canal de conducción
1+232,36 al 1+293,98Tubería Corrida 2,40 2,20x10,00 2,50 0,80
Canal de conducción
1+293,98 al 1+211,75Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 2,20 0,70
Entrada al Sifón Rectangular 3,00 2,00x7,80 6,00 2,00
Anclaje 5 Cuadrada 6,00 2,50x3,50 17,10 5,70
Anclaje 6 Cuadrada 6,00 2,50x3,50 12,80 4,30
Cuadrada 2,50 2,50x3,00 6,00 2,00
Cuadrada 2,20 3,00x4,00 5,60 1,90
Salida del Sifón Rectangular 3,00 2,00x6,50 6,10 2,00
Canal de conducción
2+650,54 al 2+840Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 3,30 1,10
Canal de conducción
3+350 al 3+400Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 2,20 0,70
Canal de conducción
3+400 al 4+610Canal trapezoidal Corrida 1,20 0,60x8,00 1,80 0,60
Anclaje 8 Cuadrada 2,60 2,60x4,00 4,00 1,30
Anclajes 9 y 10 Cuadrada 2,00 2,60x4,00 6,70 2,20
Cuadrada 2,80 2,20x6,00 3,90 1,30
Corrida 2,00 2,20x10,00 2,90 1,00
Poza de Disipación Rectangular 4,00 2,50x10,00 10,60 3,50
Cuadrada 3,00 3,30x4,00 9,90 3,30
Corrida 2,00 3,30x10,00 6,90 2,30
Platea 2,00 6,10x9,9,0 29,5 9,80
Cuadrada 2,00 3,00x3,00 19,50 6,50
Corrida 2,00 0,80x10,00 10,50 3,50
0+109,97 al 0+169,82 Desarenador
Casa de Máquinas Casa de Máquinas
Sifón
0+211,75 al 2+650,54
Anclajes 9 y 10
Tubería Forzada
Poza 3-4
Tramo 3-4
Aliviadero de Demasías
Cámara de Impacto
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“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
CAPITULO III
3.1 DISEÑO DE LA TUBERÍA FORZADA
3.1.1 GENERALIDADES
El transporte de agua de la cámara de carga hasta la casa de máquinas se efectúa
por medio de tuberías forzadas, llamadas también conductos forzados, que son
generalmente de acero. El estudio de estas tuberías comprende básicamente los
siguientes aspectos:
• Determinación del diámetro, en base a la condición de costo mínimo.
• Rendimiento hidráulico, que básicamente consiste en obtener la carga o
caída neta, que es igual a la diferencia de la caída geométrica (estática) y las
diferentes pérdidas que se producen a lo largo de la tubería.
• Verificación del espesor de la tubería forzada, en base a la presión máxima
que debe soportar.
• Colocación de las tuberías.
• Cálculo de macizos de anclaje y de apoyo.
3.2 CALCULO DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA FORZADA
3.2.1 Consideraciones de diseño
El diseño de la tubería forzada se efectúa comprendiendo las siguientes
consideraciones:
Definición del trazo y ubicación de macizos de anclaje
La ubicación del trazo de la tubería forzada, se ha definido de manera de obtener
una diferencia de niveles apropiado, alcanzando una potencia adecuada, así como
considerando que dicho salto se logre antes de Interferir con algún obstáculo
notable. La tarea de campo resulta ser muy importante en la definición del trazo,
habida cuenta que se observan en el terreno muchos obstáculos.
Algunas recomendaciones prácticas Indican que la ubicación de la tubería forzada
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debe ser sobre laderas, cuyas inclinaciones deben estar comprendidas entre 30° y
45°, de tal manera que la longitud de la tubería no resulte demasiado extensa, pero
tampoco resulte muy empinada que posteriormente dificulte el proceso de
montaje. El trazo planteado para el Salto Único responde satisfactoriamente a estas
recomendaciones.
El único inconveniente de este trazo corresponde a la cercanía con el aeropuerto
Pías, la existencia de postes de una línea eléctrica y la existencia de quebradas en la
vecindad, casi al final de la ladera. Las condiciones del suelo son las adecuadas.
3.2.2 Consideraciones teóricas
Determinación del diámetro óptimo
El cálculo del diámetro de las tuberías en general resulta indeterminado, esta
indeterminación se salva introduciendo la condición de que la tubería tenga un
costo mínimo, por ello se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
• En general, el costo de una tubería es proporcional a su longitud, función del
espesor, el espesor es función del diámetro y de la presión en la tubería, el costo
de instalación crece con el diámetro, este último es un aspecto importante
frecuentemente soslayado, sin embargo al proyecto interesa el costo de la
tubería instalada.
• Por otro lado, a mayor diámetro serán menores las pérdidas hidráulicas en la
tubería y por consiguiente la posibilidad, de obtener una potencia mayor, lo que
contrariamente sucede en tuberías de menor diámetro, pero, en estas últimas el
costo de la tubería es menor, y menores serán las anualidades de amortización
para el pago de la misma. Las cuales se calculan con la relación:
� = �. �. (1 + �) ((1 + �) − 1)⁄
Donde:
C= Costo inicial r= Interés expresado como tanto por ciento n= N° de años en que se paga la deuda
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• Por tanto, cuando se trata de averiguar el diámetro más conveniente que
produzca la máxima economía, se circunscribe al cálculo de diámetros poco
diferentes entre sí, dentro de un margen admisible de velocidades (2 a 8
m/s), estableciendo los costos de la tubería y de la energía perdida por
concepto de resistencia hidráulica es decir, sumando la anualidad de
amortización de la tubería con el valor de la energía que no se vende por
pérdidas, se obtiene los costes anuales totales, de éstos, el mínimo costo
corresponde al diámetro de la tubería más conveniente.
• Es de acotar, que al aumento de presión se debe aumentar el espesor o
disminuir el diámetro, encontrándose que en éste caso la solución más
conveniente es la segunda.
• Es de mencionar que, muchas veces la evaluación analítica muy refinada no
es justificable, pues, muchos de los datos considerados son inciertos, ya que
dependen de la existencia en el mercado de determinados tamaños y
espesores de tubería, incrementado a este la fluctuación de los precios,
hacen que para efectos de diseño preliminar del diámetro de la tubería sea
suficiente el empleo de algunas fórmulas experimentales, tales como las
desarrolladas por Scoby, Shoder, Hazen-Williams (este último utilizado más
en flujos de tubos de redes de agua potable) y otros de reciente vigencia
tales como el de Flamat y Mauriee Levy.
• Finalmente, la posibilidad de obtener el diámetro más económico, al margen
de las consideraciones expuestas, se presenta en la conveniencia del empleo
de una o varias tuberías. Según Baverfeld, el empleo de n tuberías en vez de
una encarece en n1/7 veces el costo del tubo único, por ello, en lo posible
para el presente proyecto se empleará una sola tubería.
3.2.3 Determinación preliminar del diámetro de la tubería forzada
a. Datos de diseño:
- Longitud de la tubería 899.70 m
- Caída geométrica 428.83 m
- Caudal de diseño 2.00 m3/s
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Según Shoder, fórmula que tiene la ventaja de considerar en los cálculos las
pérdidas de carga. Para tuberías medianamente lisas; se tiene:
� = 1.13 ��.����.��
� = 0.89 ��.����.��
V = Velocidad de circulación en m/s
hf = Pérdida de carga por fricción en m/km de tubería
d = Diámetro en m
Cuadro N° 9
Comentario: Los diámetros propuestos en el cuadro anterior están dentro de los
límites de las velocidades permisibles, lo que demuestra que cualquiera de éstos
diámetros se pueden adoptar prescindiendo de las restricciones de orden
económico o de eficiencia hidráulica (pérdidas de carga), lo que en realidad no
sucede así; por ello, el criterio razonable de elección como en éste caso está en
función a la eficiencia hidráulica, donde se debe conjugar adecuadamente velocidad
y pérdida por fricción en compatibilidad con la altura geométrica.
3.2.4 Determinación del Diámetro más Conveniente
Llamado también tubería de costo mínimo.
Ø D hf V hf
(pulgadas) (m) (m/1000m) (m/s) (por 899.70 m)
24 0.60960 51.7629 6.8333 46.5711
26 0.66040 34.8449 5.8224 31.3499
28 0.71120 24.1548 5.0204 21.7321
30 0.76200 17.1732 4.3733 15.4508
32 0.81280 12.4815 3.8437 11.2296
34 0.86360 9.2488 3.4048 8.3211
36 0.91440 6.9718 3.0370 6.2725
38 0.96520 5.3363 2.7257 4.8011
40 1.01600 4.1409 2.4600 3.7256
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La metodología seguida es la siguiente:
a. Datos de cálculo
• Long. de tubería (L) 899.70 m
• Caída bruta (HB) 428.83 m
• Caudal de diseño (Q) 2.00 m3/s
• Costo de energía vigente 0.0302 USD/kwh.
• Factor de carga estimado (Fc) 0.66
• Esfuerzo de trabajo del tub. de acero (Es) 1,518 kg/cm2.
• Peso específ. del tubo de acero (p.e) 7.85 T/m3
• Costo de la tub. de acero 3000 USD/Tn
b. Metodología de Cálculo
b.1 Potencia Generada por la Central
� = 9.81 × × !"#$%& ' × !() )$'*+$ × � × ,, �./�0 � 0/ 1�23.4 (5)
Donde:
ρ = densidad del agua en kg/m3 = 1000 kg/m3
γturbina = 0.89
γgenerador = 0.92
H= energía total en m (HB-hf)
Remplazando tenemos:
� = 8. �. 6,7 − �89, �./�0 � 0/ :5
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�8 = ;. < =⁄ . 1� 2?⁄
f = Coeficiente adimensional de fricción interna.
D = Diámetro de la tubería en m
v = Velocidad media en la tubería en m/s
g = Aceleración de gravedad terrestre en m/s2
Remplazando valores se obtiene
� = 16(428.83 − �8)
�8 = B899.702D9.8 E . ;. 1�
= = 45.90 ;. 1�
=
b.2 Espesor de la tubería
La tubería, sometido a esfuerzos perpendiculares al eje longitudinal, para fines
prácticos, el espesor está dado por la siguiente relación:
2 = G H =2 ;I
+ 2J ; H��� =2 ≥ 50
2 = H =2 ;I
; H��� =2 < 50
t = Espesor de la tubería en m
p = ϒHB, presión interna del agua
t' = Incremento de espesor por sobrepresión (varía de 1.5 mm a 5 mm),
adoptándose en el estudio 3 mm
K = Coeficiente de seguridad por (soldadura) que adoptaremos 0.08
fs = Esfuerzo de trabajo o Esfuerzo admisible
Para el estudio tenemos que D/t≥50
2 = G H =2 ;I
+ 2J = 0.08D1000D428.83D=2D1250D10000 + 0.003
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2 = 0.0014 = + 0.003
b.3. Costo Anual de la Energía Perdida
Esta se obtiene de la siguiente forma:
- Costo de producción anual de la planta en USD
Se ha estimado que la planta trabaja 8,760 horas/año, por otro lado, se asume que
el costo vigente de energía es de 0.0302 USD/kwh, de ahí se tiene:
Costo por kwh (CE) = Costo por año (CPA) / Energía vendible (Ev)
�N = �O�PQ
�O� = �N . PR
Ev = Horas de trab por año (Ha) x Potencia media anual (Pm)
La potencia media anual de la planta, en estos casos, viene a ser igual a la potencia
generada por la central.
� = 8. �. (,7 − �8)
Multiplicado por el factor de carga: �S = ;T. �
�O� = (0.0302D8760D0.66)� = 174.60 �
- Costo anual debido a pérdidas de carga por fricción
�O�; = �O�. 8. �. �8 = 174.60D8D2 �8 = 2,793.60 �8
b. 4 Costo y Amortización de la Tubería
- Costo total
�UU = �04. U.2�V (5"). �.42./2/ (�")
5" = �I D H) D <
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�I = X. 2. =
Vs = Volumen de acero por m de tubería
pe= Peso específ. del tubo de acero (p.e) = 7.85 Tn/m3
�UU = X D 2 D = D 7.85 D 899.70 D3000 = 66J563,860.94 D 2 D =
- Anualidad de amortización
Viene dado por:
� = �. � (1 + �)
(1 + �) − 1
C = Costo total de la tubería
r = Tasa bancaria internacional 12%
n = número de años (30)
� = 66J563,860.94 D 2 D = D 0.12 D (1.12)Y�
(1.12)Y� − 1
� = 8J263,481.16 2 D =
b.5 Costes Anuales Totales
�OU = � + �O�;
La suma de los costes de amortización y por pérdidas de carga da los costes anuales
totales, cuya gráfica vs. Diámetro es una curva tipo hiperbólica, cuyo vértice
corresponde al diámetro de tubería de costo mínimo, llamado también diámetro
más conveniente .Para mayor ilustración se adjunta la curva C.A.T. vs Ø.
Se observa que el diámetro hidráulico óptimo es 34”, lo que aproximamos a 0.85 m.
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Fig. 3: Gráfico CAT vs Diámetro
Cuadro 10: Resultados cálculo del Diámetro de Costo mínimo
Ø D A V 45.90(V2/D) f hf 428.83-hf P C.A.P.'f t a C.A.T
(m) m2 (m/s) m (KW) (miles) (m) (miles) (a+Cap'f)
24 0.6096 0.2919 6.8525 3535.6407 0.0132 46.5711 382.2589 6116.1430 130104.1394 0.0038 19326.2042 149,430.34
26 0.6604 0.3425 5.8388 2369.5048 0.0132 31.3499 397.4801 6359.6808 87581.3855 0.0039 21317.1472 108,898.53
28 0.7112 0.3973 5.0345 1635.8150 0.0133 21.7321 407.0979 6513.5666 60712.2645 0.0040 23366.6174 84,078.88
30 0.762 0.4560 4.3856 1158.5587 0.0133 15.4508 413.3792 6614.0678 43164.3235 0.0040 25474.6146 68,638.94
32 0.8128 0.5189 3.8545 839.0241 0.0134 11.2296 417.6004 6681.6067 31371.7303 0.0041 27641.1389 59,012.87
34 0.8636 0.5858 3.4144 619.6262 0.0134 8.3211 420.5089 6728.1422 23246.4423 0.0042 29866.1902 53,112.63
36 0.9144 0.6567 3.0456 465.5988 0.0135 6.2725 422.5575 6760.9195 17523.3714 0.0043 32149.7687 49,673.14
38 0.9652 0.7317 2.7334 355.3091 0.0135 4.8011 424.0289 6784.4622 13412.7149 0.0046 36884.6478 50,297.36
40 1.016 0.8107 2.4669 274.9314 0.0136 3.7256 425.1044 6801.6702 10408.1201 0.0048 40250.7856 50,658.91
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3.3 CALCULO DEL ESPESOR DE LA TUBERIA
La distribución de espesores a lo largo de la tubería forzada se determina en
función a las presiones internas que se desarrollan en la tubería, incluyendo las
sobrepresiones debidas al golpe de ariete.
A los valores del cálculo teórico de los espesores, se le proporciona un espesor
adicional por razones de seguridad, con la finalidad de asumir el nivel de
desgaste que se produzca por el uso prolongado del conducto forzado.
Los parámetros de diseño considerados en el cálculo de los espesores son los
siguientes:
Material de acero, tipo ASTM-A36, cuyo esfuerzo de fluencia es 2,500 kg/cm2.
Esfuerzo de trabajo con un factor de seguridad de 2.
Eficiencia de unión de tuberías soldadas = 0,8.
Espesores comerciales disponibles, mínimo espesor = 6.4 mm.
Sobre presión = 20 + 0,10 Hn y 25% de Hn, Hn = altura neta
Espesor adicional de 1,5 mm para tolerancia a la corrosión
Sismo de 0,20 g en dirección horizontal y 0,15 g en dirección vertical.
Coeficiente de fricción de acero sobre acero = 0,50 en el contacto de la tubería
con la plancha sobre apoyos.
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3.3.1 Determinación del Espesor de la Tuberia
Cuadro 11: Características de la Tubería (Plano CH -4)
3.3.1.1 Cálculo de Sobre Presión Máxima
Fórmula de Michaud:
h[\ = 2. L. vg. t
Donde:
hsp =Sobrepresión debido al Golpe de Ariete (m)
L= Longitud de la tubería (m)
v = Velocidad del regimen de agua (m/s)
t= Tiempo de cierre (s)
Se tiene la siguiente ecuación:
�I` S'a = 2?. 2 (b =342(cde�) × 3.52)
1. t = 10 seg hsp max. = 65.11 M
2. t = 15 seg hsp max. = 43.41 M
A - B A 3.14 3.14 3.14 2,346.73 2,344.31 2.42B - 1 B 75.50 61.65 78.64 2,346.73 2,344.31 2.42 1 - 2 1 86.92 70.10 165.56 2,346.73 2,301.39 45.34 2 - 3 2 108.03 90.00 273.59 2,346.73 2,250.00 96.73 3 - 4 3 73.47 65.00 347.06 2,346.73 2,190.25 156.48 4 - 5 4 30.28 22.93 377.34 2,346.73 2,156.00 190.73 5 - 6 5 81.74 61.91 459.08 2,346.73 2,136.23 210.50 6 - 7 6 105.67 80.16 564.75 2,346.73 2,082.25 264.48 7 - 8 7 125.09 105.00 689.84 2,346.73 2,014.00 332.73 8 - 9 8 77.82 76.05 767.66 2,346.73 1,946.00 400.73 9 - 10 9 111.17 110.87 878.83 2,346.73 1,929.49 417.24
10 - 11 10 18.42 17.79 897.25 2,346.73 1,921.56 425.17 11 - 12 11 10.00 9.79 907.25 2,346.73 1,916.79 429.94
12 907.25 2,346.73 1,916.79 429.94
PRESIÓN DE CARGA DE AGUA
(m)
DISTANCIA H(m)
LONGITUD ACUMULADA
(m)
COTA MAXIMA(msnm)
COTA CADA
TRAMO(msnm)
TRAMO VERTICEDISTANCIA
(m)
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3. t = 20 seg hsp max. = 32.56 M
4. t = 25 seg hsp max. = 26.04 M
3.3.1.2 Espesor de la Tubería
Se tiene la siguiente ecuación
0 = (fghij) kl mn op
+ 0I
Dónde:
H = Caida Bruta en m
hsm = Sobrepresión ejercida por el golpe de ariete en m
D = Diametro Tubería en m
δt = Esfuerzo de trabajo o Esfuerzo admisible
q" = P4;r0�s. �0 tVr0/u3�/
Esfuerzo de Fluencia: 2500 kg/cm2
n = Factor de Seguridad: 2
q" = ����� = 1250 G?/uv�
Kf = 0.8 Eficiencia de unión (soldaduras)
es = 3 mm Espesor adicional
Con cierre de: 10 seg.
Lt = 65.11 m
Se tienen las Siguientes ecuaciones.
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L[\ = wx wyz
w{y … (Ec 1)
LAC = Longitud acumulada
LTA = Longitud total acumulada
0 = (, + �IS) =? :8 q"
+ 0I
Remplazando los valores:
D= 0.85 m
g= 9.81 m/s2
Kf = 0.8 Eficiencia de unión (soldaduras)
δt = 1250 kg/cm2
Tenemos la ecuación:
0 = |����� (��U + <}~) + 3 … (Ec 2)
CPT = Carga por Tramos
Cuadro 12: Resultados obtenidos para el espesor
B 0.23 3.11 6.001 5.64 5.17 6.002 11.88 7.62 8.003 19.64 10.48 10.004 24.91 12.16 12.005 27.08 13.10 12.006 32.95 15.64 15.007 40.53 18.86 18.008 49.51 22.14 22.009 55.09 23.07 22.0010 63.07 23.75 25.0011 64.39 24.01 25.0012 65.11 24.04 25.00
"e" Elegido (mm)
PUNTOLsp
( Ec 1 )
e ( Ec 2 )
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3.4 CALCULO DE LAS PERDIDAS DE CARGA
Tenemos:
L = 896.11 m Longitud.
n = 0.011 Coeficiente de Rugosidad de Manning para del acero.
ᶲ = 0.85 m Diámetro de la Tubería.
A = 0.569 m2 Área.
P = 2.67 m Perímetro.
Q = 2.00 m3/s Caudal.
V = 3.52 m/s Velocidad.
� = c~ = 0.21 Radio Hidráulico
Altura Inicio = 2,346.73 msnm Cota N.A. Cámara de Carga.
Altura Fin = 1,917.90 msnm Cota Eje Turbina.
PERDIDAS DE CARGA.
a) Pérdida por Rozamiento.
�8 = � � c ��/���
�8 = 0.011776
De: O = �� =� � = �
c
�8 = �8 ∗ <
�8 = 10.5523 v
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b) Pérdida en Rejilla y Cámara de Carga
Utilizando la fórmula de "CREAGER"
�8�� = : Q�� l
Si: v = 1.00 m/s.
k = 0.74
Remplazando datos:
�8�� = 0.0377551 v
c) Pérdida en Codos:
�� = ∑ � ��� � Si � = �. ������(�)�.��
α0 = 34.850 γ0 = 0.14881779
α1 = 1.400 γ1 = 0.00013905
α2 = 2.670 γ2 = 0.00056442
α3 = 5.780 γ3 = 0.00301619
α4 = 12.980 γ4 = 0.01745343
α5 = 0.000 γ5 = 0.00000000
α6 = 0.100 γ6 = 0.00000045
α7 = 7.730 γ7 = 0.00566793
α8 = 20.680 γ8 = 0.04795341
α9 = 4.100 γ9 = 0.00143158
α10 = 10.900 γ10 = 0.01194786
Σγ= 0.23699
�+ = 0.1494 v
d) Pérdida de Carga en Cono de Ingreso a Tubería:
Utilizando la fórmula de "SONIER"
�8�� = : Q�k�.�
Si: v = 3.1440 m/s
D = 0.90 m
k = 0.00132
Remplazando datos:
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�8�� = 0.0149632 v
e) Pérdida en Válvula Mariposa ( θ = 10°)
�8�� = : Q�k�.�
TABLA: Coeficiente de Pérdida para Válvula Mariposa
De TABLA K = 0.52
θ ° = 10
�8�� = 0.3276148 v
f) Σ Pérdidas.
∑ �������� = � + � �� + �� + � ¡¡ + � ¡�
∑ �������� = ��. �¢��£� ¤
g) Altura de Carga.
Cota Máxima: 2346.73 msnm
Cota Mínima: 1917.90 msnm
Altura Bruta: HB = 428.83 m
θ k A/A0
5 0.24 0.9110 0.52 0.8315 0.90 0.7420 1.54 0.6625 2.51 0.5930 3.91 0.5035 6.22 0.4340 10.80 0.3645 18.70 0.2950 32.60 0.2355 58.80 0.1860 118.00 0.1265 256.00 0.0970 751.00 0.0690 ∞ 0.00
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Altura Neta: HN = 417.75 m
Potencia: �.2 = ! � ,
Q = Gasto en la sección Considerada m³/s
γturbina = 0.89 Eficiencia de la Turbina.
γGenerador = 0.92 Eficiencia del Generador.
H = 417.75 m Energía Total
Pot = Potencia del Líquido en Kg m / seg
Potencia Real (PR) = 9.81.γ.nG.Q(Hb-ht) = Pot2 = 7.07579 Mw
Dos grupos de = 3.53790 Mw
�.2 = ! � ,
|46
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
4. CONCLUSIONES
- El cálculo y diseño hidraulico de la tuberia forzada fue realizada con el
criterio del diametro económico, obteniendose los siguientes resultados:
Diametro Optimo: 850 mm
Espesores:
PUNTO "e"
Elegido (mm)
B 6.00 1 6.00
2 8.00 3 10.00 4 12.00 5 12.00 6 15.00 7 18.00 8 22.00 9 22.00
10 25.00 11 25.00 12 25.00
- El diámetro hidráulico óptimo determinado es de 850 mm, el cual fue
determinado en función al costo de una tubería, que es función de su
longitud, espesor, el espesor, diámetro y de la presión en la tubería
- El costo de instalación crece con el diámetro, lo cual es un aspecto
importante frecuentemente soslayado, sin embargo al proyecto interesa
el costo de la tubería instalada
- La distribución de espesores a lo largo de la tubería se ha determinado
en función a las presiones internas que se desarrolla dentro de la
tubería.
|47
“Diseño Hidráulico Óptimo de la Tubería Forzada de la C.H. Yuracyacu”
5. BIBLIOGRAFIA
- KROCHIN STENIN, SVIATOSLAV “Diseño Hidráulico”. Segunda Edición,
1982
- SOTELO AVILA, GILBERTO. “Hidraulica General”. Volumen 1.
Fundamentos. Edit. LIMUSA, 2013.
- ORTIZ FLORES, RAMIRO. “Pequeñas Hidroeléctricas”. Publicacion:
Bogotá. McGraw Hill, 2001.
- TRUEBA CORONEL, SAMUEL . “Hidráulica” . Publicacion: Mexico D.F.
Norgis, 1986
- NOVAK, P; MOFFAT A.I.B.; NARAYANAN, R. y NALLURI, C. “Estructuras
hidráulicas”. 2 ed. Bogotá : McGraw – Hill, 2001.
- STREETER, WYLIE. “ Mecánica de los Fluidos”. McGraw – Hill., 1979.
C.H. YURACYACU
ESQUEMA HIDRÁULICO
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
SEPTIEMBRE-2014
1/25000
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X
X
X
X
X
X
X
X
PLANO DE UBICACION DE LA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
SEPTIEMBRE-2014
1/5000
N
TUBERÍA FORZADA
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DESCRIPCIÓNFECHA
EMITIDO PARA APROBACIÓNA
REV. N° APROBÓREVISÓ
PUNTOS DE CONTROL
Pn
LEYENDA
UBICACIÓN
PLANTA
TUBERÍA FORZADA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
SEPTIEMBRE-2014
INDICADA
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2 346,73
2 301,39
2 250,00
2 190,25
2 156,00
2 082,85
2 014,00
1 946,00
1 929,49
1 916,791 917,90
2 136,23
PERFIL LONGITUDINAL
UBICACIÓN
TUBERÍA FORZADA
LEYENDA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
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SEPTIEMBRE-2014
INDICADA
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PLANTA ANCLAJE 1
´
A - A
PLANTA ANCLAJE 2
B - B
A A B B
PLANTA ANCLAJE 3
C - C
C C
DETALLES DE ANCLAJES TUBERÍA FORZADA
UBICACIÓN
LEYENDA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
SEPTIEMBRE-2014
INDICADA
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D - D
D D
E - E
PLANTA ANCLAJE 5
E
E
F - F
PLANTA ANCLAJE 6
F F
DETALLES DE ANCLAJES
TUBERÍA FORZADA
UBICACIÓN
LEYENDA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
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PLANTA ANCLAJE 7
G - G
G G
PLANTA ANCLAJE 8
H H
UBICACIÓN
LEYENDA
DETALLES DE ANCLAJES
TUBERÍA FORZADA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
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APOYOS
UBICACIÓN
TUBERÍA FORZADA
APOYO TIPO 1
CÁMARA DE CARGA
1
1
2
APOYO TIPO 1
APOYO TIPO 1
2
3
3
4
APOYO TIPO 1
LEYENDA
1
4
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOSX CAP
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UBICACIÓN
APOYO TIPO 1'
APOYO TIPO 2
4
6
6
7
7
8
APOYO TIPO 1'
LEYENDA
55
APOYOS
TUBERÍA FORZADA
ÓPTIMO DE LA TUBERÍA FORZADA DE LA C.H. YURACYACU DISEÑO HIDRÁULICO
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K K
K - KL - L M - M
L L M M
PLANTA APOYO TIPICO PLANTA APOYO TIPICOPLANTA APOYO TIPICO
K K
K - K
PLANTA APOYO TIPICO
SECCIÓN TÍPICADE APOYO
UBICACIÓN
LEYENDA
APOYOS
TUBERÍA FORZADA
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SECCIÓN 4-4
SECCIÓN 1-1
SECCIÓN 2-2
SECCIÓN 3-3
UBICACIÓN
PUNTOS DE CONTROL
DETALLES DE ANCLAJES Y SECCIONES
TUBERÍA FORZADA
LEYENDA
Pn
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I - I
PLANTA ANCLAJE 9
I I
J - J
UBICACIÓN
LEYENDA
DETALLES DE ANCLAJES
TUBERÍA FORZADA
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