diseño de bocatomas - nº1

7/25/2019 Diseo de Bocatomas - N1

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UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREALFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CURSO: IRRIGACIONES Y OBRAS HIDRULICAS

DISEO DE BOCATOMAS - 1

Presentado por:Ing. Ernesto Ramrez


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BOCATOMAS

Las obras de irrigacin a lo largo de todo el territorio peruanomuestran la calidad y funcionalidad de dichas obras, astenemos: canal La Achirana en Ica, canal Huaca La Cruz enLambayeque, sistemas de regado en Nazca e Ica,abastecimiento de agua a la ciudad del Cuzco y

Macchupicchu.

Cuando en 1904 llega el Ingeniero Charles Sutton, laIngeniera Hidrulica se desarrolla; el Ingeniero Sutton encompaa de jvenes ingenieros peruanos (Mercado,Gngora, Lama, Gilardi, etc. ) logran la concepcin y enalgunos casos la construccin de las obras hidrulicas nuevaso complementarias que permitieron el incremento de lafrontera agrcola.


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BOCATOMA

Una Bocatoma se define como una estructura que tiene por funcin

derivar parte o el total del caudal que discurre en un ro, para irrigar unarea bajo riego, para el abastecimiento de agua o generar energamediante una central hidroelctrica


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BOCATOMA EN LLANURA : La pendiente del ro es suave S = 1/500 a 1/10000Se da en la costa del Per, en estos casos la bocatoma generalmente consta de unbarraje fijo y/o barraje mvil ( compuertas ), denominandose bocatomasconvencionales..


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Bocatoma Tirolesa

BOCATOMA DE MONTAA : La pendiente del cauce es muy fuerte, se presentaen las zonas andinas del Per. En estos casos no se puede disear bocatomasconvencionales, se dan soluciones particulares, una solucin es la BocatomaTirolesa que de una rejilla de fondo.


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Se reemplaza barraje mvilpor una rejilla de fondo.


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Barraje fijo de una Bocatoma Tirolesa


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Construccin de la rejilla de fondo de una Bocatoma Tirolesa


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Bocatoma Tirolesa durante estiaje


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Bocatoma Tirolesa durante una crecida del ro


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PROCESO DE DISEO DE BOCATOMAS : 1 Determinar la demanda hdrica caudal de diseo ( para irrigacin,

agua potable, etc.)2 Estudios bsicos : Topografa, Hidrologa, Geologa y Geotecnia

3 Ubicacin y tipo de bocatoma4 Determinar el ancho del cauce ( ancho estable )5 Calcular la ventana de captacin6 Calcular el barraje ( Barraje fijo y/o movil )7 Calcular los muros de encauzamiento y/o diques de proteccin


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PENDIENTE Y SECCIONES TRANSVERSALES DEL RIO

Determinada la zona de ubicacin de la bocatoma se ejecuta el

levantamiento topogrfico consistente en :

Levantamiento a curvas de nivel del cauce del ro a intervalos de 1 m.y en 500 m a 1000 m. tanto aguas arriba como aguas abajo.

Perfil longitudinal del cauce, de 0.50 km. a 1 km. tanto aguas arribacomo aguas abajo del eje de la bocatoma. ( H : 1/2000 V : 1/200 ),permite obtener la pendiente del ro

Levantamiento detallado del rea de la bocatoma, unos 100 m. aguasarriba y 100 m. aguas abajo. ( Escala 1/500 )

Secciones transversales del cauce cada 50 m. a 100 m., 1 km aguasarriba y 0.50 km aguas abajo, permite calcular los volmenes deexcavacin y relleno.


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GEOLOGIA Y GEOTECNIA

El estudio de geologa y geotecnia son muy importantes porque ayuda adimensionar y calcular estructuralmente cada parte de la bocatoma. De sucorrecta ejecucin se obtiene:

a) Tipo de material del cauce y la cimentacin sobre el que seubicara la bocatoma

b) Secciones transversales y sus condiciones de erosin y desborde

Caractersticas de la permeabilidad del cauce y estribosc) Capacidad portante del cauce y riberas tanto seco como saturado.d) Ensayos de hincado de pilotes o tablestacas, de ser necesarioe) Estudio de la cantidad de sedimentos que lleva el ro

Las gravas son materiales muy estables, la arena gruesa es estable,una mezcla proporcional de arena y grava es muy estable, la arena fina porsi sola es muy inestable al igual que los limos. A continuacin se danalgunos valores referenciales de la capacidad portante de suelos:


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CAPACIDAD PORTANTE

TIPO DE SUELO t

( Kg/cm2 )

Roca dura y sanaRoca fisuradaConglomerado compactoGravasArena gruesaArena fina a media

Arcilla firmeArcilla blandaLimos con sin arena

407422

1 a 1.5

1.50.50.25

Para una buena cimentacin se requiere que t sea mayor 1.5 Kg/cm 2 , los valoresanteriores son estimados, para un buen diseo se requiere que el estudio de suelosproporcione stos valores


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CAUDALES DE DISEO

Determinada la demanda es necesario conocer el comportamientohidrolgico del ro a fin de evaluar disponibilidad del recurso hdrico. Estosdatos permite garantizar el caudal a derivar y definir el tamao de lasestructuras de la bocatoma ( caudal mximo ), los datos ms importantes aconocer son :

Qd es el caudal mnimo a derivar (caudal de captacin)

Qmax es el caudal de avenida mxima, determina el tipo de barraje y murosde encauzamiento,

El problema en el diseo de bocatomas es que no siempre se cuenta conregistros histricos amplios y consistente, lo cual dificulta el uso de mtodosusuales en el tratamiento de la informacin hidrolgica.


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CRITERIOS DE DISEO

Antes de iniciar el diseo de una bocatoma, se debe examinar algunosaspectoss:

La captacin debe estar en un tramo recto de ser posible, esto facilita lalimpieza natural del cauce

Ubicar la Toma de preferencia en zonas con proteccin natural y el canalde derivacin no debe prolongarse demasiado.

Debe ubicarse en una zona segura, con buenas condiciones decimentacin, ancho mnimo para evitar altos costos de encauzamiento ycon buenas condiciones para su construccin.

La captacin de agua debe ser posible en toda poca del ao. Si la ubicacin se hace en una curva, se debe considerar que en una curva

el flujo sufre cambios de direccin, se produce erosin y sobre elevacindel nivel del agua en la curva exterior y sedimentacin en la curva interior,por tal motivo la captacin debe estar en la curva exterior y hacia aguasabajo

El ingreso de slidos al canal de derivacin debe ser el mnimo posible.


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ANGULOS PRINCIPALES DE DERIVACIN

Antes de iniciar el diseo de una bocatoma, se debe considerar el ngulo de derivacin

El ngulo de derivacinesta entre 20 a 45


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ANCHO ESTABLE : El ro es estable si: No presenta socavacin en las riberas Los sedimentos que ingresan al canal se transportan y no se depositan

No hay cambio de alineamiento en su curso.

La estabilidad depende de las propiedades del material de fondo del ro, lascaractersticas del flujo y las variables geomtricas y topogrficas (pendiente).

Mtodo de Altunin : Se emplea para un cauce de material granularB = A Q0.5 / S0.2 A = ( n K5/3 )3/( 3+5m )

n = Coeficiente de Manning K = Trmino que es funcin de las orillas

K = 3 a 4 Material del cauce muy resistente K = 8 a 12 Material aluvialK = 16 a 20 Material del cauce muy erosionable m = 1 Para cauces aluvialesm = 0.7 Para cauces arenosos m = 0.5 Para ros de montaaQ = Caudal de mxima avenida ( m3/s ) S = Pendiente del cauce del ro


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RELACION ENTRE EL BARRAJE VERTEDERO FIJO Y EL MOVIL

Las bocatomas pueden ser con sin barraje a traves del ro, cuando se construye

un barraje fijo a lo largo del cauce y no genera problemas en poca de avenida.

La longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpiagruesa, el barraje produce que se acumule material slido pudiendo llegar hasta lacresta, como solucin se plantea una parte fija y una parte mvil.

El barraje mvil esta formado por una o varias compuertas. Si el barraje fijocausa problemas en poca de avenida (inundaciones aguas arriba), entonces, serequiere aumentar el barraje mvil para disminuir el nivel del agua sin causarproblemas de inundacin.

El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud

mvil (Lm) es que sus longitudes permiten pasar caudales Qm y Qf que, sumadosden el caudal de diseo.

Q f = Caudal que pasa por el barraje fijoQm = Caudal que pasa por el barraje movil


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Barrajemovil

Barrajefijo

Ventanas decaptacin


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ALTURA DEL BARRAJE VERTEDERO

La altura del barraje vertedero est orientada a elevar o mantener un nivelde agua en el ro, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia elcanal principal o canal de derivacin.

po b

a

p = p0 + b + 0.30

p0 = 1.5 Dm + hs

p0 = Altura para evitar el ingreso de slidos a la ventana de captacinb = Altura de ventana de captacin

Dm = Dimetro tamao del material slidoh s = Altura de seguridad ( entre 0.20 a 0.40 m. )


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FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE VERTEDERO

Se recomienda dar formas a la cresta del vertedero de modo tal que evitenla presencia de presiones negativas las que podran generar cavitacin y enconsecuencia daos al concreto. Los estudios del U.S.B.R. y del W.E.S.

(U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station) han desarrolladoformas standards, dadas por : X n = K Hdn-1 Y Perfil Creager

PENDIENTE 3:a K n

VERTICAL 3 : 1 3 : 2 3 : 3

2.000 1.936 1.939 1.873

1.85 1.836 1.810 1.776


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Pendiente vertical : X 1.85 = 2 Hd0.85 Y Pendiente 3 : 1 X1.836 = 1.936 Hd0.836 Y Pendiente 3 : 2 X1.81 = 1.939 Hd0.81 Y

Pendiente 3 : 3 X1.776 = 1.873 Hd0.776 Y


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CAPTACION


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CAPTACION

La captacin debe estar ubicada por lo general aguas arriba del barraje vertedero,siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea el mnimo(ya indica que el punto ideal es el lado exterior de la parte cncava de una curva).La cimentacin debe estar en zona dura y es preferible buscar roca para asentar laestructura, la Toma debe disponer de una cota suficiente para las obras complicadas,y de facilidad constructiva para reducir los costos de construccin.

Q = C x A 2 g h

Q : caudal a derivar ( m 3/s ).C : coeficiente para orificio, 0.60

A : Area de la ventana ( m2 ), a x bb = a/2

h : Carga de agua desde el umbralhasta el centro de la ventana


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VENTANA DE CAPTACION La captacin se realiza mediante un abertura llamada ventana de captacin la cualdebe encontrarse como mnimo a una altura de 0.60 m del piso del canal de limpia.

Sus dimensiones se calculan segn el caudal a derivar y por economa. Serecomienda considerar el caso crtico, cuando la ventana trabaja como orificio.( poca de avenidas )


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p = p 0 + b + 0.30 a =2 b b = a / 2

P = p 0 + a/2 + 0.30P = p 0 + b/2 + h = p o + a/4 + h pero h = p - p 0 b/2 = p p 0 - a/4

Simplificando :

Q = C a a/2 ( 2 g (a/4 + 0.30 ) )0.5

2 Q = a2 ( a/4 + 0.30 )0.5

C ( 2g ) 0.5

h = a/4 + 0.30

Simplificando : para una ventanaa 5 + 1.2 a 4 = 2.265 Q 2


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P) Calcular la altura de un barraje para un caudal de 1.5 m3/s, considerar queel mximo tamao del material slido que trae el ro es 0.40 m.

Solucin :a 5 + 1.2 a 4 = 2.265 ( 1.5 ) 2 = 5.0963

resolviendo : a = 1.206 m a = 1.20 mb = 0.62 m

verificando: Q = 0.60 (1.20 x 0.62) 2 x 9.81 (1.2 + 0.3)4

Q = 1.53 m3 / s

altura de la cresta : Po = 1.5 ( 0.4 ) + 0.20 = 0.80 m

P = 0.80 + 0.62 + 0.3 P = 1.72 m


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La topografa de un ro indica un n = 0.045 (material aluvial), el caudalde mxima avenida es 750 m3/s. Si la cota del fondo del ro en la captacines 200 msnm y la pendiente es S = 0.0035. Calcular el ancho estable, laventana de captacin para Q = 10 m3/s y las dimensiones del barraje fijo.

P

a ) Altunin : B = AQ 0.5 y A = ( nk 5/3 )3/(3 + 5m)S 0.2

K = 12 n = 0.045 m = 1 cauces aluviales

A = [ 0.045 (12) 5/3 ] 3/ (3 + 5(1)) = 1.4772

B = 1.4772 (750) 0.5 = 125 m

( 0.0035 ) 0.2

De la topografa del ro se observa que el ancho debe ser B = 100 m

b) Petit : B = 2.45 (750) 0.5 = 67.10 m


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Ventana de captacin : Po = 1.5 (0.35) + 0.20 = 0.725

Considerando 2 ventanas con 5 m 3/s cada una.

a5 + 1.2 a

4 = 2.265 ( 5 )

2 = 56.625

Resolviendo : a = 2.05 m b = 1.03 m A = 2.1115 m 2

Se verifica : Q = 0.6 (2.05 x 1.03) ( 2.05 + 0.3 ) 2 x 9.81 = 5.06m 3/s4


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Lo que tenemos que aprender lo aprendemoshacindolo.

"La inteligencia consiste no slo en el conocimiento,sino tambin en la destreza de aplicar losconocimientos en la prctica.

"Ensear no es una funcin vital, porque no tiene el finen s misma; la funcin vital es aprender."

Autor: Aristoteles


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PREGUNTAS

diseño de bocatomas - nº1

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