diseño de estructuras hidraulicas grupo 12

7/26/2019 Diseño de Estructuras Hidraulicas Grupo 12

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INGENIERIA CIVIL - UANCV - PUNOESTRUCTURAS HIDRAULICAS

Datos:Area = 2100 Ha

Caudal Dominante = 180 m3/seg

Caudal mínimo = 8.7 m3/seg

Caudal máximo = 330 m3/seg

Datos del río:Srío = 0.0003 m/m

nrío = 0.022

Altura de Umbral de captación = 1.25 m

Altura de Umbral de desrripiador = 1.05 m

Rejilla de acero en la ventana de captación = 1" @ 0.37m

Desnivel de paso a vertedero = 0.1 m

Orilla = cohesivo

d50 = 0.5 mm

Fb = 1.3435 material grueso

Fs = 0.2

K = 10 río aluvial

Datos canal de derivación:Canal de concreto = sección rectangular de M.E.H.

S = 0.001 m/m

Datos canal principal:Canal de concreto = sección trapezoidal de M.E.H.

S = 0.001 m/m

Determinar:Demanda Hídrica

Con que caudal se va a diseñar la ventana de captación

Diseñar el canal de derivaciónDiseñar el canal principal

El ancho del río considerando la teoría del régimen

H y L

PARAMETROS DE DISEÑO




1.1. Evapotranspiración Potencial

Ep = 0.324 * Rt * CTT * CWT * CHT * CST * CE

Rt = 17.06 mm/día del caudro N°8

CTT = 1.033CWT = 1.029

CHT = 0.9941

CST = 1.0601

CE = 1.344

Ep =

Ep = 8.317 mm/día

1.2. Evapotranspiración Real

EtR = Kc * Ep Kc = 1

EtR =

EtR = 8.317 mm/día

1.3. Requerimiento de Agua en mm/mes

R H2O = EtR * Precipitación Efectiva precipitacion efectiva 12

R H2O = 5.048 mm/día * 31 día/mes

R H2O = 245.832 mm/mes

1.4. Requerimiento volumétrico neto del Agua en m3/mes/Ha

RVol Neto = 156.475 mm/mes * 0.001 m/mm * 10000 m3/Ha

RVol Neto = m3/mes/Ha

= > Para regar 1 Ha necesito 1564.755 m3 de agua

1.5. Requerimiento Volumétrico Bruto

RVol Bruto =

ER = EC * EA * ED

ER = 0.85 * 0.75 * 0.70

ER = 0.446

RVol Bruto =

RVol Bruto = m3/mes/Ha

1.6. Módulo de Riego

MR = 2887.67 m3 1 1000 lts 1 mes 1 día

mes Ha 1m3 31 días 86400 seg

MR = 2.057 lts/seg/Ha

0.446

2458.324

RVol Neto

5508.849

I. CALCULO DE DEMANDA HIDRAÚLICA

ER

2458.324




1.7. Demanda Hídrica

DH = MR * Area a regar

DH =

DH = 4319.21 lts/seg

DH = 4.319 m3/seg

*Asumiendo DH = 4.32 m3

/seg

* Asumiendo H = 0.8 m

hn = 0.7 mz = 0.1 m

P = 1.25 m

2.1. Por la fórmula de Bazin despejaremos el ancho de la Ventana:

K = 0.85 (ventana con rejilla)

S = 0.584

C = 0.664

II. DISEÑO DE LA VENTANA DE CAPTACION

Q = 2

3 2g ∗ K ∗ S ∗ C ∗ L ∗ H

S = 1.05 ∗ 1 + 0.2 ∗

(

)

C = 0.6075 + 0.00405

H 1 + 0.55∗

H

H + P




2.2. Despejando L

L = 6.205 m

2.3. Verificando velocidad

V = 0.870 m/s * La velocidad debe ser entre 0.6 m/s y 1m/s

2.4. Asumiendo V = 1m/s

L = 5.40 m = 5.40 m

2.5. Verificando N° de barras

N° barras = 13.59

N° barras = 14

* Se tendra una ventana de:

14 * 0.042 =

5.40 + 0.588 =

* Ancho de ventana asumido = 6.00 m

0.588

5.987

L = 3Q

2 2g ∗ K ∗ S ∗ C ∗ H

V = Q

A

V = Q

H ∗ L

L = Q

H ∗ V

N° barras = L

D− 1

N° barras = 5.4

0.37 − 1




3.1. Por fórmula de Bazin

Si: K = 1.0 m * Considerando sin rejillas y no sumergido (S = 1)

Además: H = 0.8 mP = 1.05 m

Se tendrá:

C = 0.676

3.2. Despejando L

L = 3.026 m

3.3. Verificando velocidad

V = 1.784 m/s * La velocidad debe ser entre 0.6 m/s y 1m/s

3.4. Asumiendo V = 1m/s

L = 5.40 m

III. DISEÑO DEL DESRRIPIADOR

Q = 2

3 2g ∗ K ∗ S ∗ C ∗ L ∗ H

Q = 2

3 2g ∗ C ∗ L ∗ H

C = 0.6075 + 0.00405

H 1 + 0.55∗

H

H + P

L = 3Q

2 2g ∗ C ∗ H

L = 3 ∗ 1.50

2 2 ∗ 9.81 ∗ 0.761 ∗ 1

V = QA

V = Q

H ∗ L

V = 1.50

1 ∗ 0.667

L = Q

H ∗ VL =

1.50

1 ∗ 1




3.5. Tirante Y1

* Por fórmula se tiene.

a = 1

b = -2.201

c = 0

d = 0.056

* Resolviendo la ecuación.

Y1 = 0.190 m

* Considerando Y1 = 0.20 m

3.6. Tirante Conjugado Y2

* Verificando Velocidad y Numero de Froude

V = 4.00 m/s

Fr = 2.856 => Régimen de Flujo Supercrítico

* Reemplazando:

Y2 = 0.714 m

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗ Q

H ∗ B + P + H + z

d = 1.1

2g ∗

Q

B

d = 1.1

2 ∗ 9.81 ∗

1.50

1.50

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = Q

B ∗ Y 1

V = 1.50

1.5 ∗ 0.2

Fr = V

Fr = 5.00

9.81 ∗ 0.20

Y2 = 0.20

2 1 + 8 ∗ 3.57 − 1




* Verificando si el resalto es sumergido:

* Es sumergido

3.7. Longitud de Resalto Lp

Lp = 2.826 m

* Asumiremos Lp = 4.00 m

Y2 < P + H

0.915 < 0.5 + 1

0.915 < 1.5

Lp = 5.5(Y2 − Y1)Lp = 5.5(0.91 − 0.19)




4.1. Sección Rectangular de Máxima eficiencia Hidraúlica

n = 0.014 (según Manning para canal de concreto)

* Por fórmula:

Y = 1.169 m

b = 2.339 m

* Asumiendo b = 1.50 m --> Para que el canal sea uniforme

=> Y = 0.75 m

Sección rectangular de M.E.H.

IV. DISEÑO DEL CANAL DE DERIVACION

b = 2Y

Y = ∗

2

∗

Y = 0.014 ∗ 1.5

2

∗ 0.001

b = 2 ∗ 0.787




5.1. Tirante Y1

a = 1

* Asumiendo: z = 1 m

b = -2.901

c = 0

d = 0.056


Y1 = 0.150 m



V = 19.20 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 3.28 m

V. DISEÑO DE LA TRANSICION AL CANAL DE DERIVACION

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g

∗ Q

H

∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81∗

1.50

1 ∗ 1.50 + 0.50 + 1 + 1

d = 1.1

2g ∗

Q

B

d = 1.12 ∗ 9.81

∗ 1.50

1.50

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = Q

B ∗ Y 1

V = 1.50

1.5 ∗ 0.150

Fr = V

Fr = 6.57

9.81 ∗ 0.150

Y2 = 0.152

2 1 + 8 ∗ 5.379 − 1




5.3. Profundidad de Poza de Disipación

z = 2.533 m

5.4. Segunda Iteración

* a = 1

* Asumiendo: z = 2.533 m

b = -4.434

c = 0

d = 0.056


Y1 = 0.180 m

*


V = 16.00 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 2.98 m

* Profundidad de Poza de Disipación

z = Y2 − Yn

z = 1.08 −0.75

aY1

+ bY1

+ cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗

Q

H ∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81∗

1.50

1 ∗ 1.50 + 0.50 + 1 + 0.334

d = 1.1

2g ∗Q

B

d = 1.1

2 ∗ 9.81 ∗

1.50

1.50

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = Q

B ∗ Y 1

V = 1.50

1.5 ∗ 0.180

Fr = V

Fr = 5.51

9.81 ∗ 0.180

Y2 = 0.182

2 1 + 8 ∗ 4.129 − 1




z = 2.230 m

5.5. Tercera Iteración

*

a = 1


b = -4.131

c = 0

d = 0.056


Y1 = 0.190 m

*


V = 15.16 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 2.89 m


z = Y2 − Yn

z = 0.97 −0.75

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗

Q

H ∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81∗

1.50

1 ∗ 1.50 + 0.50 + 1 + 0.223

d = 1.1

2g

∗Q

B

d = 1.1

2 ∗ 9.81 ∗

1.50

1.50

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = Q

B ∗ Y 1

V = 1.50

1.50 ∗ 0.190

Fr = V

Fr =

5.32

9.81 ∗ 0.190

Y2 = 0.188

2 1 + 8 ∗ 3.913 − 1




z = 2.140 m

5.6. Cuarta Iteración

*

a = 1


b = -4.041

c = 0

d = 0.056


Y1 = 0.190 m

* Verificando Velocidad y Número de Froude

V = 15.16 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 2.89 m


z = Y2 − Yn

z = 0.95 −0.75

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗

Q

H ∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81∗

1.50

1 ∗ 1.50 + 0.50 + 1 + 0.201

d =

1.1

2g ∗

Q

B

d = 1.1

2 ∗ 9.81 ∗

1.50

1.50

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = Q

B ∗ Y 1

V = 1.50

1.50 ∗ 0.190

Fr = V

Fr = 5.28

9.81 ∗ 0.190

Y2 = 0.190

2 1 + 8 ∗ 3.87 − 1




z = 2.140 m

* Se tiene entonces lo siguientes resultados

Y1 = 0.19 m

Y2 = 2.89 m

z = 2.14 m

5.7. Longitud de Resalto Lp

Lp = 14.85 m

* Asumiremos Lp = 4.20 m (Longitud de Resalto)

* Asumiremos z = 0.20 m (Profundidad de poza de Disipación)

z = Y2 − Yn

z = 0.95 −0.75

Lp = 5.5(Y2 − Y1)

Lp = 5.5(0.95 − 0.19)




6.1. Sección Trapezoidal de Máxima Eficiencia Hidraúlica

n = 0.014 (Según Manning para canal de concreto)

z = 1 => θ = 45°

* Fórmula despejada para M.E.H.:

* Por condición para M.E.H.

θ/2 = 22.5

b = 0.828 Y

* Reemplazando:

Y = 0.813 m

b = 0.828 * 0.813

b = 0.674 m

*Asumiendo: b = 0.70 m

=> Y = 0.84 m

Sección trapezoidal de M.E.H.

VI. DISEÑO DEL CANAL PRINCIPAL

Q = 1

n ∗

bY + zY

b + 2Y ∗ z + 1

∗ S

b

Y = 2tan

2

1.50 = 1

0.014 ∗

(0.828Y)Y + Y

(0.828Y) + 2Y ∗ 1 + 1

∗ 0.001

2.38




7.1. Según Lacey

B = 64.81 m

f = 35.78

Y = 0.819 m

7.2. Según Blench

B = 62.94 m

Y = 2.98 m

7.3. Según Altunin

m = 0.7 (Ríos arenosos y gravosos)

B = 70.07 m

* Entonces el ancho y tirante del río sera:

B = 70.068 m

Y = 1.96 m Y = 1.96 m

VII. CALCULO DE PARAMETROS DEL RIO CONSIDERANDO TEORIA DEL REGIMEN

* Tomaremos la Teoría de Altunin ya que el río es dematerial granular grueso, además de ser un río

aluvial, y esta teoría obtiene resultados mayores que

las reales, como el río es algo cohesivo y posee

material grueso entonces se puede decir que su orilla

va ser resistente a la erosión.

B = 4.831 ∗ Q

B = 4.831 ∗ 70

Y = 0.478 ∗ Q

f

Y = 0.478 ∗ 70

32

f = 50.60 ∗ Dm

f = 50.60 ∗ 0.4

B = 1.81 ∗ Fb

Fs ∗ Q

B = 1.81 ∗ 1.20

0.20 ∗ 70

Y = 1.02 ∗ Fs

∗ Q

Y = 1.02 ∗ 0.201.20 ∗ 70

B = n ∗ Q ∗

B =

0.035 ∗ 70 ∗ 10

0.0005

∗.

Y =

Y = 51.36 .

10




7.4. Calculo de Tirante Mínimo, Velocidad Mínima y Fr del Río

* Según Manning:

* Despejando para cálculo de tirante Mínimo:

* Reemplazando:

Ymin 0.605 m

* Verificando Velocidad y Número de Froude:

Vmin 0.21 m/s

Fr = 0.084 => Régimen de Flujo Subcrítico

7.5. Calculo de Tirante Máximo, Velocidad Máxima y Fr del Río

* Despejando para cálculo de tirante Máximo:

* Reemplazando:

Ymax 2.478 m

* Verificando Velocidad y Número de Froude:

Vmax 1.90 m/s

* Esta velocidad se considera erosiva ya que es mayor a 1m/s, pero

como la orilla es de material grueso y algo cohesivo puede resistir a

esta velocidad

Q = 1

n ∗ A∗ R

∗ S

Qmin = 1n

∗ B ∗ Ymin

B + 2Ymin

∗ S

14 = 1

0.035 ∗

51.36 ∗ Ymin

51.36 + 2Ymin

∗ 0.0005

Vmin = Q

A

Vmin = QB ∗ Ymin

Vmin = 14

51.36 ∗ 0.605

Fr = V

Fr = 0.45

9.81 ∗ 0.605

Qmax = 1

n ∗

B ∗ Ymax

B + 2Ymax

∗ S

140 = 1

0.035 ∗

51.36 ∗ Ymax

51.36 + 2Ymax

∗ 0.0005

Vmax = Q

A

Vmax = Q

B ∗ Ymax

Vmax = 140

51.36 ∗ 2.478




Fr = 0.385 => Régimen de Flujo Subcrítico

Fr = V

Fr = 1.10

9.81 ∗ 2.478




8.1. Determinación de Caudal ingresante (10%)

Q = 10% * Qmax

Q = 10% * 140

Q = 33 m3/seg

8.2. Longitud tentativa

H = 1.0 + 0.6 + 0.2 = 1.8 m

L = 7.427 m

L = 3.2 m

* Utilizaremos 2 compuertas y 1 pilar intermedio de forma circular

Kp = 0.025

Km = 0

8.3. Hallando Caudal saliente

Le = 3.11 m

=>

Q = 13.82 m3/seg

VIII. DISEÑO DE BARRAJE MOVIL

Q = 1.84 ∗ L ∗ H

⁄

L = Q

1.84 ∗ H

t

t

Q = 1.84 ∗ Le ∗ H

⁄

Le = Lo − 2 n ∗ Kp + Km ∗ H




9.1. Caudal del barraje fijo

Qbarraje fijo = Q - Qbarraje movil

Qbarraje fijo = 140 - 14.34

Qbarraje fijo = 316.18 m3/seg

9.2. Longitud de barraje fijoLbarraje fijo = Ancho del río - Lbarraje movil

Lbarraje fijo = 51.36 - 3.80

Lbarraje fijo = 66.27 m

9.3. Determinación del tirante máximo normal

* Según Manning:

* Despejando para cálculo de tirante

Ymax 2.478 m

9.4. Carga en la cresta del vertedero

* Asumiendo C = 2

* Despejando H:

H = 1.785 m

1.008

* Volvemos a calcular con C = 2.164

H = 1.694 m

1.063

IX. DISEÑO DE BARRAJE FIJO

Q = 1

n ∗ A∗ R

∗ S

Q = 1n

∗ B ∗ Y

B + 2Y

∗ S

Q = C ∗ L ∗ H

⁄

H =

Q

C∗L

⁄

H = 126.182∗47.56

⁄ VALORDE

COEFICIENTE

"C"

PP

H =

1.80

1.207 =

2.164

1.491VALORDE

H = 126.182.164∗47.56

⁄

P

H =

1.80

1.146 =

VALORDE

COEFICIENTE

"C"

P

2.169

1.571VALORDE





H = 1.691 m

1.064


H = 1.691 m

1.065

* Entonces:

H = 1.691 m

C = 2.170

9.5. Tirante de la poza de disipación

a = 1


b = -4.897

c = 0

d = 1.276


Y1 = 0.318 m

H = 126.182.164∗47.56

⁄

P

H =

1.80

1.144 =

VALORDE

COEFICIENTE

"C"

P

2.170

1.574VALORDE

H = 126.182.164∗47.56

⁄

P

H =

1.80

1.143 =

VALORDE

COEFICIENTE

"C"

P

2.170

1.574VALORDE

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗

Q

H ∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81 ∗

126.18

47.56 ∗ 1.143 + 1.143 + 1.80 + 1

d = 1.1

2g ∗

Q

B

d = 1.12 ∗ 9.81 ∗ 126.18

47.56

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0






V = 15.00 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 3.66 m


z = 1.187 m * Como "z" es negativo, asumimos "z = 0"

9.8. Tirante de la poza de disipacion con "z = 0"

a = 1


b = -3.897

c = 0

d = 1.276


Y1 = 0.372 m

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = QB ∗ Y 1

V = 126.18

47.56 ∗ 0.318

Fr = V

Fr = 8.34

9.81 ∗ 0.318

Y2 = 0.32

2 1 + 8 ∗ 4.724 − 1

z = Y2 − Yn

z = 1.97 −2.48

aY1 + bY1 + cY1 + d = 0

b = − 1

2g ∗

Q

H ∗ B + P + H + z

b = − 1

2 ∗ 9.81 ∗

126.18

47.56 ∗ 1.143 + 1.143 + 1.80 + 0

d = 1.12g

∗Q

B

d = 1.1

2 ∗ 9.81∗

126.18

47.56

aY1 + 1.649Y1 + 0.056 = 0




9.9 Tirante Conjugado Y2


V = 12.83 m/s


* Reemplazando:

Y2 = 3.351 m


z = 0.873 m

9.11. Longitud de la Poza de Disipación

Lp = 16.38 m

* Asumiremos Lp = 8.00 m (Longitud de Resalto)

* Asumiremos z = 0.00 m (Sin profundidad de poza de Disipación)

*Al salir negativo el valor de "z" la poza de disipación

no tendra profundidad

Y2 = Y1

2 1 + 8Fr − 1

V = Q

A

V = QB ∗ Y 1

V = 126.18

47.56 ∗ 0.372

Fr = V

Fr = 7.13

9.81 ∗ 0.372

Y2 = 0.372

2 1 + 8 ∗ 3.733 − 1

z = Y2 − Yn

z = 1.787 −2.48

Lp = 5.5(Y2 − Y1)

Lp = 5.5(1.787 − 0.372)

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