DISEÑO DE BOCATOMA - CALCULO PARA SU DIMENSIONAMIENTO

DISEÑO HIDRAULICOEl diseño de las estructuras hidráulicas está basado en las tres leyes fundamentales de la hidráulica y en las ecuaciones de vertederos y orificios, como son:

- La ecuación de continuidad- La ecuación de la energía- La ecuación de la cantidad de movimiento- Las ecuaciones de vertederos - Las ecuaciones de orificios

PASOS PARA EL DISEÑO HIDRAULICO

ESQUEMA DE LA BOCATOMA

1. ESTIMACION DEL ANCHO DEL ENCAUZAMIENTO DEL RIO Usaremos las siguientes formulas experimentales:

El promedio de estos tres valores se puede tomar como el ancho de encauzamiento

2. DETERMINACIÓN DEL TIRANTE NORMAL DEL RIO

El tirante del río se calcula con la fórmula de Mannig:

Reemplazando los datos en la fórmula (4), obtenemos la siguiente ecuación para hallar el valor de “yn”, estimado mediante tanteos.

3. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE REGULACIÓN

Determinamos el tirante normal en el canal de derivación y1 de la misma forma que para el tirante normal del rio en el paso 2. A las secciones 1 y 2 aplicamos la ecuación de cantidad de movimiento:

De donde obtenemos el valor de y2. Seguidamente aplicamos la ecuación de Bernoulli entre las secciones 2 y 3, de donde obtenemos el valor de y3 que viene a ser la altura de la compuerta de regulación. Se deben considerar las pérdidas por contracciones entre las secciones 2 y 3.

4. DISTRIBUCION DEL ANCHO DE ENCAUZAMIENTO

Teniendo como datos el ancho de encauzamiento, separación entre los pilares de las compuertas, ancho tentativo de las compuertas despedradoras y desgravadoras y la longitud de transición, podemos determinar la longitud del barraje (L).

5. DISEÑO DE LAS VENTANAS DE CAPTACIÓN

Consideramos la ecuación de Bernoulli entre los puntos 3 y 4, teniendo en cuenta la pérdida de carga por contracción:

Se debe considerar un ancho tentativo de ventana de captación. Tenemos como datos la altura del cauce del río a la entrada de la ventana de captación (h”), la separación entre la ventana (b) en número de ventanas, el caudal de derivación, el tirante en el canal de derivación (yn), el valor del coeficiente para pérdidas por contracción (kc=0.6), los valores de y3 v3 los conocemos del cálculo anterior, reemplazando los valores en la ecuación (7) podemos calcular y4 por tanteos. Con el valor de y4 y con el ancho de la ventana ya tenemos las dimensiones de ésta hv=y4 es la altura de la ventana de captación).

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

De acuerdo con el esquema 3, se tiene:

Las alturas del muro de transición y del canal de derivación, se hallan teniendo en cuenta que las ventanas de captación están completamente abiertas y considerándolas como orificios sumergidos para el caudal de máximo diseño; hay que tener en cuenta la presencia de rejillas que reduce en un 20% el área de las ventanas en ése caso. Consideramos el caudal de ingreso por las ventanas y por canal de derivación como sigue:

Del esquema 3, se deduce:

yn es el tirante normal en el canal de derivación, además se debe cumplir que para este yn el caudal calculado con la ecuación de Mannig debe ser igual a Q1=Q2=Qc

Para las iteraciones, se asume un Q para halla los valores de Δ h1, Δ h2 y yn, con las ecuaciones (11), (12), (13) y (14) y el proceso finaliza cuando el caudal asumido es igual al calculado; luego:

7. DISEÑO DE BARRAJE Y POZA DE DISIPACIÓN

Altura barraje (sin cimentación)=Cota de barraje-Cota fondo de río (17)

a. Barraje (normalizado tipo Creager)

Aplicamos la ecuación de la conservación de la energía entre los puntos 0 y 1 (ver esquema 4)

En la poza de disipación de disipación de energía, aplicando la ley de conservación de la energía, se asume: profundidad r de la poza y el tirante y1 (al comienzo del resalto) hasta que rasum sea igual a rcalc, y hasta que y1asum sea igual a y1calc. Una vez determinado y1 hallamos el tirante conjugado y2 con la ecuación:

b. Longitud de la Poza Es determinado por los valores hallados de y1 y y2 y las fórmulas empíricas:

8. DISEÑO DE COMPUERTAS DESPEDRADORAS Y DESGRAVADORAS

Las compuertas despedradoras deben dejar circular el caudal medio del río con las siguientes consideraciones:

- Circula el caudal máximo de diseño- Las compuertas despedradoras están totalmente abiertas- La compuertas desgravadoras estas cerradas- No hay captación por las ventanas

Teniendo las siguientes consideraciones de acuerdo al esquema 5

Qbarraje+Qcompuerta=Qmax .diseño (26)

Teniendo en cuenta E1 = E2 se asume un Qcompuerta, se halla H0 con la ecuación (27) luego se despeja z1asum, y se itera hasta que este valor sea igual a

Luego se determinan los tamaños de las compuertas de acuerdo a las dimensiones comerciales.

9. DISEÑO DE MURO DE ENCAUZAMIENTO LATERAL

El objetivo es hallar valores del tirante del río agua arriba desde el barraje hasta que el tirante sea normal; se calcula la curva del remanso por el “método directo en etapas”. De Manning, despejamos:

Se parte de un valor conocido = altura de barraje + HD + 20%HD, hasta llegar al valor del tirante normal del rio, para lo cual se hallan los valores de Δx

10. DISEÑO DE VERTEDERO LATERAL

APLICACIÓN PRÁCTICA

Ejemplo Nº 1

Se diseña la bocatoma Fortaleza – Cañete que derivará las aguas del río Cañete en cuyo fondo presenta material grueso y en sus orillas material ligeramente cohesivo, ubicado en la zona de montaña, cauce con cantos rodados y guijarros, con corriente rápidas, considerar:

- Factor de fondo, Fb = 1.2

- Factor de orilla, Fs = 0.2- Parámetro que caracteriza al cauce, a = 0.75

Además, se tienen los siguientes datos hidrológicos y topográficos:

- Caudal máximo de diseño: 1 000 m3/s- Pendiente del cauce del río: S = 0.0076 (0.76%)- Coeficiente de Mannig: n = 0.05- Canal rectangular- Caudal medio del río: 52.26 m3/s- Caudal mínimo: 5.40 m3/s- Caudal a derivarse: 10 m3/s- Pendiente del canal de derivación: 0.0015 (0.15%)- Coeficiente de Mannig del canal: n = 0.017- Ancho del canal de derivación al inicio: 3.70 m- Dos compuertas de regulación- Ancho del pilar de separación entre compuertas de regulación = 0.50 m- Tres ventanas de captación: - Altura del cauce del río a la cresta de la ventana de captación: h” = 0.90 m- Coeficiente de descarga del vertedero tipo Creager: c1 = 2.10 - Coeficiente de descarga bajo compuerta: C2 = 0.60- Las ventanas de captación llevan rejillas- Profundidad en el sector de la compuerta despedradora: h’ = 0.70 m- Talud de salida de la poza de disipación: z = 4- Tres compuertas despedradoras: 2.00 x 1.50 m- Una compuerta desgravadora: 1.50 x 1.50 m.- Pilares de separación de compuertas: 0.60 m.- Vertedero lateral, coeficiente de descarga: 2.10- Longitud de transición: 4.10 m.- Cota de inicio del canal: 97.17 msnm- Cota de fondo del río: 97.79 msnm

CALCULAR:

1. ANCHO DE ENCAUZAMIENTO2. DETERMINACION DEL TIRANTE NORMAL DEL RÍO3. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE REGULACIÓN4. DISTRIBUCIÓN DEL ANCHO DE ENCAUZAMIENTO5. DISEÑO DE VENTANAS DE CAPTACIÓN6. DISEÑO DE LA ALTURA DE LA PANTALLA FRONTAL, MURO DE TRANSICIÓN Y MURO DEL

CANAL7. DISEÑO DE BARRAJE Y POZA DE DISIPACIÓN8. DISEÑO DE COMPUERTAS DESPEDRADORAS Y DESGRAVADORAS9. DISEÑO DE MURO DE ENCAUZAMEINTO LATERAL10. DISEÑO DE VERTEDERO LATERAL