diseño de bocatoma - nuevo metodo

DATOS:

Caudal máximo de diseño Qd=

Pendiente del cauce del río Sr=

Coeficiente de Manning nr=

Factor de fondo Fb=

Factor de orilla Fs=

Parametro que caracteriza el cauce a=

Canal rectangular

Caudal medio del río Qmed=

Caudal mínimo Qmin=

Caudal a derivarse Qderiv=

Pendiente del canal de derivación Sc=

Coeficiente de Manning de canal nc=

Ancho del canal de derivación al inicio Bc=

Dos compuertas de regulación

Ancho de pilar de separación entre compuertas de regulación Bp=

Tres ventanas de captación

Altura del cauce del río a la cresta de la ventana de captación h"=

Coeficiente de descarga tipo Creager c1=

Coeficiente de descarga bajo compuerta c2=

Las ventanas de captación llevan rejillas

Profundidad en el sector de la compureta despedradora h'=

Talud de salida de la poza de disipación z=

Tres compuertas despedradoras 2

Una compuerta desgravadora 1.5

Pilares de separacion de compuertas Bp1=

Vertedero lateral, coeficiente de descarga cd=

Longitud de transicion Lt=

Cota de inicio del canal Cic=

Cota fondo del rio Cfr=

1.- ESTIMADO DEL ANCHO DE ENCAUSAMIENTO DEL RIO.

Usaremos las ecuaciones siguientes:

BLENCH: DONDE:

B= Ancho de encauzamiento

Q= Caudal maximo de diseño

B = 29.07 m Fb= Factor de fondo

Fs= Factor de orilla

ALTUNIN: a= Parametro que caracteriza al cauce

S= Pendiente de rio

B = 9.92 m

PETIT:

DISEÑO DE BOCATOMA

𝐵 = 1.81 ∗𝑄 ∗ 𝐹𝑏𝐹𝑠

𝐵 =𝑎 ∗ 𝑄1 2

𝑆1 5

𝐵 = 2.45 ∗ 𝑄1/2

B = 16.07 m

Nota: Tomar el promedio de los tres valores.

B = 18.00 m

Ancho físico= 15 m

Nota: Este valor se debe comparar con el ancho fisico del rio medido insitu. El ancho minimo debe ser el ancho fisico del rio.

2.- DETERMINACION DEL TIRANTE NORMAL DEL RIO

Se deduce de la ecuación de Manning en combinación con la ecuación de Continuidad

Se reemplaza

DONDE:

B= Ancho de encauzamiento

Q= Caudal maximo de diseño

A= Area de la Sección transversal

Q= 43 m^3/s R= Radio hidráulico

n= 0.05 n= Coeficiente de Manning de río

B= 15 m S= Pendiente de río

S= 0.03 Yn= Tirante normal del río

P= Perímetro mojado

Resolviendo por tanteos:

Ynasum 0.6 0.94 0.9

Qcalc 21.07 43.32 40.42

Nota: Tomar el valor asumido mas próximo.

Yn= 0.94 m

3.- DISEÑO DE LA COMPUERTA DE REGULACION

Se determina el tirante normal de la ecuación modificada

Q= 2 m^3/s

n= 0.015

B= 3.7 m

S= 0.0015

g= 9.81 m/s^2 DONDE:

Resolviendo por tanteos B=

Q=

Y1asum 0.8 0.5 0.43 A=

𝑄 =𝐴 ∗ 𝑅

23 ∗ 𝑆

12

𝑛 𝐴 = 𝐵 ∗ 𝑌𝑛 𝑅 =

𝐴

𝑃=

𝐵 ∗ 𝑌𝑛𝐵 + 2 ∗ 𝑌

𝑄 =1

𝑛∗ (𝐵 ∗ 𝑦𝑛) ∗ (

𝐵 ∗ 𝑦𝑛

2 + 𝐵 ∗ 𝑦𝑛)23 ∗ 𝑆

12

𝑄 =1

𝑛∗ (𝐵 ∗ 𝑦) ∗ (

𝐵 ∗ 𝑦

2 + 𝐵 ∗ 𝑦)23

Qcalc 5.18 2.57 2.04 F=

n=

Nota: Tomar el valor asumido mas próximo. E=

S=

Y1= 0.43 m Hc=

g=

Utilizando la ecuación de cantidad de movimiento Y=

Reemplazando las ecuaciones de Fuerza hidrostática y Bernoulli

Resolviendo por tanteos

Y1 F1 Y2asum F2 ΔF=F2-F1

0.43 0.598 0.45 0.620 0.021

0.43 0.598 0.5 0.683 0.085

0.43 0.598 0.55 0.760 0.162


Y2= 0.45 m

Resolviendo por tanteos

Y2 E1 Y3asum E3 ΔE=E3-E2

0.45 0.524 1.4 1.408 0.884

0.45 0.524 1.5 1.507 0.983

0.45 0.524 1.6 1.606 1.082


Y3= 1.40 m

Perdidas por contracción: 0.249 m

Hc= 1.15 m

B= 3.7 m

Ancho de pilar= 0.5 m

Ancho de canal corregido= 3.2 m

Ancho de compuerta= 1.6 m

Compuertas regulación= 1.5 X 1.5 m

4.- DISTRIBUCION DEL ANCHO DE ENCAUZAMIENTO

𝐹 =𝑄2

𝑔 ∗ 𝐴+ 𝑦 𝐺 ∗ 𝐴 𝐸 =

𝑄2

2 ∗ 𝑔 ∗ 𝐴2+ y

𝐹1 − 𝐹2 = 𝑄𝜌(𝑣1 − 𝑣2)

Ancho de encauzamiento 15 m

Compuertas regulación 3 m

Ancho del pilar para estas compuertas 0.5 m

Compuertas despedradoras 6 m

Compuertas desgravadoras 1.5 m

Ancho del pilar para estas compuertas 1.8 m

Longitud de transición 4.1 m

Longitud de barraje: L= -1.9 m 100

5.- DISEÑO DE VENTANAS DE CAPTACION

Se considera la ecuación de Bernoulli para el cálculo

DONDE:

h"=

Ancho tentativo: 3 m Q=

h"= 0.9 m B=

Q= 10 m^3/s E=

y2= 1.39 m kc=

B= 3.7 m g=

kc= 0.6 Y=

g= 9.81 m/s^2

E2 Y1asum E1 ΔE=E1-E2

2.272 1 1.922 -0.351

2.260 0.9 1.974 -0.286

2.282 0.8 2.047 -0.234

Ventanas de Captación 3 X 0.8 m

6.- DISEÑO DE LA ALTURA DE LA PANTALLA FRONTAL, MURO DE TRANSICION Y MURO DEL CANAL

Tomando en cuenta los vertederos

Q= 43 m^3/s

c1= 2.1

L= 100 m

HD= 0.35 m

Cota fondo del río 3150 m.s.n.m

Cota fondo canal derivacion 3149.4 m.s.n.m

𝑦4 +𝑉42

2𝑔+ 𝑕" = 𝑦3 +

𝑉32

2𝑔+ 𝐾𝐶 ∗ (

𝑉32+𝑉4

2

2𝑔)

𝑄 = 𝑐 ∗ 𝐿 ∗ 𝐻𝐷

32

h"= 0.9 m

hv= 0.8 m

fs= 0.1 m

n= 0.015

B= 1 m

S= 0.0015

c2= 0.6

g= 9.81 m/s^2

Se obtiene las cotas necesarias

Cota barraje 3151.2 m.s.n.m

Nivel máx aguas 3151.55 m.s.n.m

Altura de barraje 1.8 m

Altura de pantalla frontal 3151.617 m.s.n.m

Es necesario determinar el tirante normal

Qasumido Δh1 Δh2 Yn Qcalc ΔQ=Qas-Qca

17.00 1.194 1.994 -1.041 #NUM! #NUM!

16.00 1.057 1.776 -0.686 #NUM! #NUM!

15.50 0.992 1.657 -0.502 #NUM! #NUM!

15.60 1.005 1.679 -0.537 #NUM! #NUM!

15.65 1.012 1.690 -0.555 #NUM! #NUM!

yn= 1.93 m

Qasum= Qcalc= 15.65 m^3/s

Determinando la altura de pantalla frontal

Altura de Muro de Transición 4.390 m

Altura de pantalla frontal 2.217 m

7.- DISEÑO DE BARRAJE Y POZA DE DISIPACION

Análisis del Barraje

Altura Barraje (Sin cimentación)= 1.20 m

𝑐𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒 = 𝑐𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 + 𝑕" + 𝑕𝑣 + 𝑓𝑠

𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑥. 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 = 𝑐𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒 + 𝐻𝐷

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑌𝑛 + ∆𝑕2 + 20%(𝑌𝑛 + ∆𝑕2)

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒 + 𝐻𝐷 + 20%𝐻𝐷

𝑄 =1

𝑛∗ (𝐵 ∗ 𝑦) ∗ (

𝐵 ∗ 𝑦

2 + 𝐵 ∗ 𝑦)23 ∗ 𝑆

12

HA= 0.39 m

I1= 0.061 m

R1= 0.07 m

d= 0.04 m

I2= 0.10 m

R2= 0.17 m

Perfil de la cuesta del barraje:

x en cm y en cm

0 0.0

0.5 0.3

1 1.2

2 4.4

1.2 1.7

1.5 2.6

2 4.4

2.5 6.7

3 9.4

3.5 12.5

Longitud de la cresta efectiva 99.97

Cálculo del tirante al pie del barraje Y1

HD= 0.35 m

Altura barraje (S/C) 1.20 m

g= 9.81 m/s^2

Q= 10 m^3/s

Es necesario tantear valores de rasum y Y1asum

rasum Y1asum V1^2/2g V1 Y1calc Eo

1.0 1.3 1.25 4.95 2.02 2.55

1.1 1.2 1.45 5.33 1.88 2.65

Se asume y1= 1.2 m

Se obtiene el conjugado y2= 2.49 m

Cálculo de la longitud de la poza de disispación

U. S. BUREU RECLAMATION

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

PERFIL GREAGER

𝐻𝐴 = 𝐻𝐷/0,89

𝐼1 = 0,175 ∗ 𝐻𝐷

𝑅1 = 0,20 ∗ 𝐻𝐷

𝐼2 = 0,282

𝑅2 = 0,5 ∗

𝑑 = 0,11

𝐸1 =𝑣1

2

2 ∗ 𝑔

𝐸0 = 𝐸1

𝐸0 = 𝑟 + 𝐵

𝑣12

2 ∗ 𝑔+ 𝑦1

𝑦2 = −𝑦12±

𝑦12

4+ 2 ∗ 𝑣1

2 ∗𝑦1𝑔

L= 9.96 m

BAKLMNETEV - MARTZKE

L= 6.44 m

LAFRENETZ

L= 11.20 m

PAVLOSKI

L= 5.71 m

Nota: Tomar el promedio de los tres valores.

L= #NUM! m

8.- DISEÑO DE COMPUERTAS DESPEDRADORAS Y DESGRAVADORAS

Es necesario tener las siguientes consideraciones

HD= 0.35 DONDE:

Q= 43 m^3/s

c1= 2.1 Q=

L= 100 m B=

c2= 0.6 z1=

g= 9.81 m/s^2 L=

Area 1.5 X 1.5 HD=

h'= 0.7 Y=

Altura de barraje 1.20 m L=

g=

Qcomp Qbarraje HD z1asum A=

50 -7 #NUM! 1.28 c1=

60 -17 #NUM! 1.85 c2=

55 -12 #NUM! 1.55 h'=

𝐿 = 4 ∗ 𝑦2

𝐿 = 5 ∗ (𝑦2 − 𝑦1)

𝐿 = 4.5 ∗ 𝑦2

𝐿 = 2.5 ∗ (1.4 ∗ 𝑦2 − 𝑦1)

𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒 + 𝑄𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 = 𝑄𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜

𝐻𝑜 = (𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒

𝑐1𝐿)23

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 = 𝑐2 𝐴 2

𝑧1 = (𝑄𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎

2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑐2 ∗ 𝐴


HD= #NUM!

Z1= 1.28 m

9.- DISEÑO DE MURO DE ENCAUZAMIENTO LATERAL DONDE:

Es necesario hallar los tirantes del río Q=

B=

Q= 43 m^3/s v=

n= 0.05 n=

B= 15 m R=

S= 0.03 Yn=

g= 9.81 m/s^2 E=

g=

A=

So, Sf=

El método directo por tramos en un inicio

Se parte de un valor conocido hasta llegar al valor del tirante normal río

Tirante normal del río= 0.94

Altura de pantalla frontal= 1.617

Yn A R^4/3 V^2/2g E ΔE4.0 60.15 3.60 0.03 4.04 -

3.8 57 3.43 0.03 3.83 0.207

3.5 52.5 3.19 0.03 3.53 0.295

3.1 46.5 2.85 0.04 3.14 0.391

3 45 2.76 0.05 3.05 0.097

2.8 42 2.59 0.05 2.85 0.193

2.6 39 2.40 0.06 2.66 0.191

10.- DISEÑO DE VERTEDERO LATERAL

Se toma en consideración lo siguiente

Q1= 15.65

Q= 2

B= 1

a= 1.5

Yn= 1.93

𝑠𝑓 =𝑄2𝑛2

𝐴2𝑅43

=𝑣2𝑛2

𝑅43

𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒 + 𝐻𝐷 + 20%𝐻𝐷

𝐿 =𝑄1𝑄2

𝑐 2 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻𝐷32

𝐻𝐷 𝐻𝑣2

g= 9.81

c= 2.1

H= 0.43

HD= 3.78

Longitud del vertedero L= 0.46 m

Nota: El valor de "a" debe ser compatible con el valor de "L"

𝐻𝐷 = 𝐻 +𝑣

2 ∗ 𝑔

43 m^3/s

0.03

0.05

1.2

0.2

0.75

20 m^3/s

15 m^3/s

2 m^3/s

0.0015

0.015

1 m

0.5 m

0.9 m

2.1

0.6

0.7 m

4

X 1.5 m

X 1.5 m

0.6 m

2.1

4.1 m

3149.4 m.s.n.m

3150 m.s.n.m

Ancho de encauzamiento

Caudal maximo de diseño

Factor de fondo

Parametro que caracteriza al cauce

Pendiente de rio

DISEÑO DE BOCATOMA

Nota: Este valor se debe comparar con el ancho fisico del rio medido insitu. El ancho minimo debe ser el ancho fisico del rio.


Caudal maximo de diseño

Area de la Sección transversal

Radio hidráulico

Coeficiente de Manning de río

Pendiente de río

Tirante normal del río

Perímetro mojado

Ancho de canal de derivación

Caudal a derivarse

Area de la Sección transversal

𝑌𝑛∗ 𝑌𝑛

23 ∗ 𝑆

12

Fuerza hidróstatica

Coeficiente de Manning de canal

Ecuación de Bernoulli

Pendiente del canal de derivación

Altura de Compuerta

Gravedad

Tirante normal

m

Altura del cauce del río a la cresta de la ventana

Caudal a derivarse


Ecuación de Bernoulli

Coeficiente para pérdidas de contracción

Gravedad

Tirante en el canal

DISEÑO DE LA ALTURA DE LA PANTALLA FRONTAL, MURO DE TRANSICION Y MURO DEL CANAL

DONDE:

h"= Altura del cauce del río a la cresta de la ventana

Q= Caudal máximo de diseño

B= Ancho de canal de derivación

c1= Coeficiente de descarga para vertederos

L= Longitud de barraje

HD= Carga de agua sobre el barraje

Y= Tirante en el canal

fs= Factor de seguridad (por lo general es 0,10)

hv= Altura de ventana de captación

n= Coeficiente de Manning de canal

S= Pendiente del canal de derivación

c2= Coeficiente de gasto para orificios

g= Gravedad

A= Area de seccion transversal

𝑄1 = 𝑐 ∗ 𝐴1 ∗ 2 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑕1

𝑄2 = 𝑐 ∗ 𝐴2 ∗ 2 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑕2

DONDE:

r= Profundidad de la poza

Q= Caudal a derivarse

B= Ancho de canal de derivación

E= Ecuación de Bernoulli

L= Longitud de barraje

HD= Carga de agua sobre el barraje

Y= Tirante en el canal

L= Longitud de Poza

g= Gravedad

E1 Y2 rcalc A= Area de seccion transversal

3.27 2.32 1.72

3.32 2.49 1.78

2.5 3 3.5 4

PERFIL GREAGER

PERFIL

282 ∗ 𝐻𝐷

5 ∗ 𝐻𝐷

11 ∗ 𝐻𝐴

2

𝑔+ 𝑦1

+ 𝐵 + 𝐻𝐷 +𝑣0

2

2 ∗ 𝑔

𝑦1 = 𝑟 + 𝐵 + 𝐻𝐷

Caudal máximo de diseño


Diferencia de nivel de energía entre la cresta de barraje y Y1

Longitud de barraje

Carga de agua sobre el barraje

Tirante en el canal

Longitud de Poza

Gravedad

Area de compuertas

Coeficiente de descarga para vertederos

Coeficiente de gasto para orificios

Profundidad en el sector de la compuerta

2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑧1

𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎

∗ 𝐴)2

H = 𝐻𝐷 + 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑗𝑒

𝐸1 =𝑣1

2

2 ∗ 𝑔+ 𝑦1

Caudal máximo de diseño


Velocidad

coeficiente de Manning

Radio hidráulico

Tirante en el río

Ecuación de continuidad

Gravedad

Area de compuertas

Pendiente del río

Sf Sf So-Sf ΔX X

0.00036 - - 0 0

0.00041 0.000059 0.02994 6.92 6.92

0.00053 0.000111 0.02989 9.86 16.78

0.00075 0.000224 0.02978 13.12 29.90

0.00083 0.000076 0.02992 3.24 33.14

0.00101 0.000187 0.02981 6.48 39.62

0.00126 0.000251 0.02975 6.44 46.05

DONDE:

Q1= Caudal que ingresa

Q= Caudal a derivarse

v= Velocidad

L= Longitud del vertedero

c= Coeficiente de vertedero

HD= Carga hidraulica

E= Ecuación de continuidad

g= Gravedad

N° AÑO Q (m3/s) Qi-Qm

1 1975 1.24 0.04

2 1976 0.75 0.08

3 1977 0.59 0.20

4 1978 0.34 0.48

5 1979 0.30 0.53

6 1980 0.28 0.57

7 1981 0.91 0.02

8 1982 0.32 0.50

9 1983 0.75 0.08

10 1984 0.48 0.30

11 1985 0.41 0.39

12 1986 1.40 0.13

13 1987 0.93 0.01

14 1988 0.30 0.54

15 1989 0.44 0.35

16 1990 0.34 0.47 Qmax = Qm - (Sq/Sn)(Yn-ln T)

17 1991 0.39 0.41

18 1992 0.28 0.56

19 1993 1.88 0.71 CALCULO DE VARIACION DE Q

20 1994 1.88 0.72

21 1995 1.00 0.00

22 1996 1.56 0.28

23 1997 1.37 0.11

24 1998 1.23 0.04

25 1999 2.17 1.29

26 2000 2.42 1.93

27 2001 2.05 1.03

28 2002 1.66 0.40 calculo de caudal de diseño.

29 2003 1.69 0.43 50

30 2004 1.45 0.17 50

31 2005 1.22 0.03

1.03 12.82 100

100

ESTACION HUAYAO

DE LA TABLA DE MAXIMO VILLON

∆𝑄=±(1.14

N

QQm

1

22

N

QmN

QiQ

Qm = 1.03 m3/seg

Q`m = 12.82 m3/seg

N Yn Sn

31 0.5371 1.1159

50 0.54854 1.16066

100 0.56002 1.20649

Qmax = Qm - (Sq/Sn)(Yn-ln T) 50 Qmax = 39.806 m3/seg

100 Qmax = 47.770 m3/seg

CALCULO DE VARIACION DE Q

Q50= 0.98

Q100= 0.99

∆Q= 13.10 m3/s

calculo de caudal de diseño.

Qd = 40.786 m3/seg

Qd = 38.826 m3/seg

Qd = 48.760 m3/seg

Qd = 46.780 m3/seg

DE LA TABLA DE MAXIMO VILLON

SE TIENE

=±(1.14𝜎_𝑄)/𝜎_𝑁 𝑄=1−1/𝑇

N

QQm

1

22

N

QmN

QiQ

diseño de bocatoma - nuevo metodo

Documents