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- 1. DISEÑO DE BOCATOMA II.- PROCEDIMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE BOCATOMA PASO A PASO 1.- ANCHO DE ENCAUZAMIENTO DE RÍO Para el cálculo de se usa el Metodo de Regimen, el acomodo o equilibrio dinámico del caudal sólido, líquido y la geometría hidráulica. 1.1.- Blench : concentración del material transportado en suspensión. ≔ QD 976 ―― m3 s Caudal max. de diseño. ≔ Fb 1.2 Factor de fondo (lecho) ≔ Fs 0.2 Factor de orilla (erosión de taludes) ≔ B1 = ⋅ 1.81 ‾‾‾‾‾‾ 2 ⋅ QD ―― Fb Fs 138.509 m 1.2.- Altunin : facilidad o dificultar con que las orillas son erosiondas y el material de fondo como se presenta (zona de desarrollo). ≔ a 0.85 Parámetro de caracteriza el cauce. ≔ SR 0.0086 Pendiente del río. ≔ B2 = ⋅ a ―― ‾‾‾ 2 QD ‾‾‾ 5 SR 68.745 m 1.3.- Petit : este método solo evalua el caudal. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 1
- 2. DISEÑO DE BOCATOMA este método solo evalua el caudal. 1.3.- Petit : ≔ B3 = ⋅ 2.45 ‾‾‾ 2 QD 76.54 m NOTA: como anchoa, tomamos el promedio de los 3 anteriores, ancho promedio. ≔ BP = ――――― ⎛ ⎝ + + B1 B2 B3 ⎞ ⎠ 3 94.598 Redondeamos: ≔ BP 95 m 2.- DISEÑO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN El análisis, para las ventanas de captación, funcionan como verterderos de pared gruesa, siendo la fórmula. ≔ QC 5 ―― m3 s caudal de captación ≔ C 2.10 coeficiente de descarga de vertedero. ≔ L 3.5 m longitud de ventana, entre 3-4m hv: altura de ventana. ≔ hv = ⎛ ⎜ ⎝ ―― QC ⋅ C L ⎞ ⎟ ⎠ ― 2 3 0.773 m ≔ hv 0.75 m 2.2.- REJILLAS PARA LA VENTANA DE CAPTACIÓN Se colocaran rejillas para material fino, recomendación de Manzen es de 0.025m-0.010m, consideraremos 0.03m ≔ E 0.03 m Separación de barrotes ≔ A 0.015 m Ancho de barrotes ≔ nb = round ⎛ ⎜ ⎝ ― C E ⎞ ⎟ ⎠ 70 Número de espacios entre barrotes. ≔ N = - nb 1 69 Número de barrotes. Reajustamos el L de la ventana de captación en un 20% por obturación de barrrotes. ≔ L = ⋅ 1.2 L 4.2 m ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 2
- 3. DISEÑO DE BOCATOMA Figura 01: Esquema de ventana de captación 3.- DISEÑO DE BARRAJE FIJO O AZUD 3.1.- ALTURA DE BARRAJE FIJO O PANTALLA Figura 02: Esquema de Barraje Fijo o Azud ≔ Co 97.79 m.s.n.m cota de fondo de río. ≔ Cv 97.17 m.s.n.m cota de canal. ≔ hv = hv 0.75 m ≔ h1o 0.2 m P: Altura del barraje ≔ P = + + ( ( - Co Cv) ) hv h1o 1.57 m ≔ Cc = round( ( , P 1) ) 1.6 m 3.2.- FORMA DE CRESTA DEL BARRAJE FIJO Hacemos el uso del método de Creager para el dimensionamiento preliminar y para luego corregirlo con un aumento de robustez. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 3
- 4. DISEÑO DE BOCATOMA Figura 03: Esquema para diseño de Barraje-M.Creaguer 3.2.1 Hallamos las coordenas "x,y" para Cc(altura de pantalla, calculada con anterioridad). PASO 01 : primero hallamos la carga total sobre el barraje fijo. Donde: Ho: Carga total o carga de proyecto n,k: Factores de calculo en monogramas establecidos. ≔ Ho = round ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ , ⎛ ⎜ ⎝ ――― QD ⋅ C BP ⎞ ⎟ ⎠ ― 2 3 2 ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ 2.88 m PASO 02: hallamos "ha"perdida por velocidad en suspensión. Ho=ho+ha Donde: ho: reducción de perdida de carga por velocidad perdida por velocidad velocidad de perdidad donde: q:caulda unitario ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 4
- 5. DISEÑO DE BOCATOMA donde: q:caulda unitario ≔ q = ―― QD BP 10.274 ―― m2 s Damos valores a ha1 para que ha sea lo mas parecido posible "ha" ≔ ha1 0.26 m ≔ g 9.81 ― m s2 ≔ ha = ――――――― q2 ⋅ ⋅ 2 g ( ( - + P Ho ha1) ) 2 0.306 ≔ ha 0.26 ≔ ho = - Ho ha 2.62 m PASO 03: hallamos Y de los monogramas = ―― ha Ho 0.09 Y/Ho=0.087 Figura 04: Gráfica para monogramas de Y Despejamos obtenemos: ≔ Y = ⋅ 0.087 Ho 0.251 m ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 5
- 6. DISEÑO DE BOCATOMA PASO 04: hallamos X de los monogramas = ―― ha Ho 0.09 X/Ho=0.236 Figura 05: Gráfica para monogramas de X Despejamos obtenemos: ≔ X = ⋅ 0.236 Ho 0.68 m Las coordenadas obtuvidas de los monogramas son para el Cc: ≔ X = round( ( , X 1) ) 0.7 m ≔ Y = round( ( , Y 1) ) 0.3 m PASO 05 : hallamos los coeficientes de "K-n" , con los monogramas = ―― ha Ho 0.09 ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 6
- 7. DISEÑO DE BOCATOMA *Hallamos de los monogramas los coeficientes k y n 5.1 MONOGRAFIA PARA "K" ≔ K 0.51 Figura 06: Gráfica para monogramas de k 5.2.- MONOGRAFIA PARA "n": ≔ n 1.837 Figura 07: Gráfica para monogramas de n PASO 06 : tabulamos con X para armar la curva de creager "dibujo de perfil". Aplicamos valores de tabularición para generar nuestro perfil de creaguer teórico. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 7
- 8. DISEÑO DE BOCATOMA Aplicamos valores de tabularición para generar nuestro perfil de creaguer teórico. ≔ x 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 ⋮ ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ m ≔ y ⋅ ⋅ Ho ( (-K) ) ⎛ ⎜ ⎝ ―― x Ho ⎞ ⎟ ⎠ n = y -0.059 -0.21 -0.443 -0.752 -1.133 -1.583 -2.101 -2.686 -3.334 -4.046 -4.821 -5.656 -6.552 -7.508 ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ m DIBUJO DE PERFIL DE CREAGER -6.05 -5.3 -4.55 -3.8 -3.05 -2.3 -1.55 -0.8 -0.05 -7.55 -6.8 0.7 1.8 2.45 3.1 3.75 4.4 5.05 5.7 6.35 0.5 1.15 7 x ⎛ ⎜ ⎝ ⋅ ― 1 m m ⎞ ⎟ ⎠ y ⎛ ⎜ ⎝ ⋅ ― 1 m m ⎞ ⎟ ⎠ Figura 08: Gráfica de Creaguer Teórico PASO 07: Hallamos R1 para formar la curvatura desde la pantalla al Cc ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 8
- 9. DISEÑO DE BOCATOMA PASO 07: Hallamos R1 para formar la curvatura desde la pantalla al Cc = ―― ha Ho 0.09 R1/Ho=0.48 Despejamos obtenemos: ≔ R1 = ⋅ 0.48 Ho 1.382 m Figura 09: Gráfica para monogramas de R1 PASO 08: Hallamos R1 para formar la curvatura desde la pantalla al Cc = ―― ha Ho 0.09 R2/Ho=0.20 Despejamos obtenemos: ≔ R2 = ⋅ 0.2 Ho 0.576 m Figura 10: Gráfica para monogramas de R2 ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 9
- 10. DISEÑO DE BOCATOMA GRÁFICA DE CREAGER Figura 11: Esquema de Perfil de Creaguer PASO 09: Corrección de la gráfica de creager aumento de rotbustez. 9.1 Hallamos R3 ≔ Va = ――― q + P ho 2.452 ≔ R3.1 = 10 ――――――― ( ( + + Va ⋅ 6.4 Ho 16) ) + ⋅ 3.6 Ho 64 3.133 m ≔ R3.2 = ⋅ 0.5 Ho 1.44 Figura 12: Esquema de corrección R3 ≔ R3 = ――――― ( ( + R3.1 R3.2) ) 2 2.287 m ≔ r 0.5 m Usamos el metodo de tangencia. ≔ r ⋅ R3 ( ( - 1 cos( (α) )) ) ≔ α 38.49 ≔ α = round( ( , α 1) ) 38.5 Figura 13: Esquema de perfil de Creaguerde corrección R3 ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 10
- 11. DISEÑO DE BOCATOMA GRÁFICA DE CREAGER CORREGIDA Figura 14: Esquema de Perfil de Creaguer Corregido ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 11
- 12. DISEÑO DE BOCATOMA 4.- LONGITUD DE RESALTO Y DISEÑO DE LA POSA DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA Figura 15: Esquema de poza de disipación Datos, calculados con anterioridad: ≔ Co 97.19 m ≔ C1 96.69 m r=Co-C1 (Recomendado entre 0.5 -1 m) ≔ P 1.60 m ≔ B 95 m ≔ h 2.92 m ≔ g 9.81 ― m s2 ≔ Q 986 ―― m3 s ≔ dn 4 m 4.1.- Càluculo de los tirantes conjugados Ÿ Tirante conjugado menor (d1) Balance de Energía entre los puntos 0 y 1 ≔ q = ― Q B 10.379 ―― m2 s Caudal unitario ≔ Vo = ―― q + P h 2.296 ― m s Velocidad en el punto 0 ≔ x = - + + + Co P h ―― Vo2 ⋅ 2 g C1 5.289 m Despejando x en el valance de energía tenemos: x=d1+1.1 ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ――― ⎛ ⎜ ⎝ ― q d1 ⎞ ⎟ ⎠ 2 2 g ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ≔ d1 0.5 m Valor inicial asumido para la iteración ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 12
- 13. DISEÑO DE BOCATOMA x=d1+1.1 ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ――― ⎛ ⎜ ⎝ ― q d1 ⎞ ⎟ ⎠ 2 2 g ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ≔ d1 0.5 m Valor inicial asumido para la iteración Cumple con la restricciòn de d1>1 ≔ d1 = root ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ , - + d1 1.1 ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ――― ⎛ ⎜ ⎝ ― q d1 ⎞ ⎟ ⎠ 2 ⋅ 2 g ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ x d1 ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ 1.218 m ≔ Fr1 = ――― ⎛ ⎜ ⎝ ― q d1 ⎞ ⎟ ⎠ ‾‾‾‾ ⋅ g d1 2.465 Se tiene que Fr1>1 por el flujo es supercríto, lo cual nos indica que es necesario contar co un sistema de sistema de disipación de energía. Ÿ Tirante conjugado mayor (d2) ≔ d2 = ― d1 2 ⎛ ⎝ - ‾‾‾‾‾‾‾‾ + 1 8 Fr12 1 ⎞ ⎠ 3.681 m = if ( ( , , > + Co P + C1 d2 “OK” “Resalto no Sumergido”) ) “Resalto no Sumergido” A partir del Fr1 podemos decir que se presenta un "Resalto oscilante", el cual puede causar daño en bancos de tierra y enrocados. Figura 16: Esquema Resalto Oscilante ≔ r = - ⋅ 1.15 d2 dn 0.233 m 5.- CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL COLCHÓN DISIPADOR Al tener un Resalto hidraúlico oscilante los colchones de amortiguación comunes no son muy efectivos por lo cual se la USBR propone un cuenco tipo cuatro (Figura ), el cual ha demostrado ser el mas eficiente para este tipo de flujo. Figura 17: Esquema de Cuenco Tipo IV USBR ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 13
- 14. DISEÑO DE BOCATOMA La longitud de Resalto lo hayamos con la siguiente gráfica (Figura ), la cual nos da el resalto hidraúlico para un cuenco Tipo IV. Figura 18: Esquema Longitud de Resalto hidraúlico para cuenco Tipo IV Donde se obtuvo que : ≔ L = ⋅ 4.9 d2 18.035 m Longitud del resalto hidraúlico 5.1 Cálculo de la longitud de escollera Ecuación pa ra la longitud de escollera segun Bligh Para este caso usaremos Arena gruesa ≔ C 9 ≔ D1 = | | - + - C1 Co P dn| | ― 1 m 2.9 ≔ Db = ( ( + - + P Co C1 r) ) ― 1 m 2.333 ≔ Ls = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 0.6 C ‾‾‾ D1 ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ - ⋅ 1.12 ‾‾‾‾‾‾‾‾‾ ―――― ⋅ ⋅ q ―― s m2 Db D1 1 ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ m 20.563 m 6.- DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 14
- 15. DISEÑO DE BOCATOMA 6.- DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA Figura 19: Distribución de la compuertas en el canal de limpia Ÿ Datos dados para el diseño: -Tres compuertas de despedradoras 2.00*1.50 m -Una compuerta desgravadora 1.5*1.5 m -Ancho de los pilares de separación ≔ t 0.6 m -Coeficiente de descarga ≔ Cl 0.6 ≔ Nl 4 6.1.- Ancho de la compuerta de limpia ≔ bl1 2.00 m Ancho de la compuerta despedradora ≔ bl2 1.5 m Ancho de la compuerta desgravadora ≔ BL = + + ⋅ bl1 3 bl2 ⋅ t 4 9.9 m 6.2.- Pendiente del canal de limpia ≔ n 0.017 Coeficiente de rugosidad de Manning ≔ g 9.81 ― m s2 Aceleración de la gravedad La velocidad en el canal de limpia varia entre 1.50 - 3.00 m/s ≔ Vc 2.00 ― m s Velocidad en el canal asumida ≔ q = ―― Vc3 g 0.815 ―― m2 s ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 15
- 16. DISEÑO DE BOCATOMA Ecuación para la pendiente ≔ Ic = ⋅ n2 ―― g ―― 10 9 q ― 2 9 0.004 ―― m ― 2 3 s2 6.3.- Altura dela compuerta de limpia ≔ ha 0.26 m Ecuación para la altura de compuerta ≔ Ql = ⋅ q BL 8.073 ―― m3 s ≔ hl = ―――――――――― Ql ⋅ ⋅ ⋅ Cl Nl ―――― ( ( + bl1 bl2) ) 2 ‾‾‾‾‾‾ ⋅ ⋅ 2 g ha 0.851 m La altura minima que debe tener la compuerta es de 1 m, si embargo la corona de la cresta debe ser 0.2m mas alta que el barraje por lo tanto: Altura de la compuerta, hl= 1.80m 7.- DISEÑO DEL CANAL DESRIPIADOR Figura 20: Esquema de sección de Disripiador ≔ T2 4 m Longitud de la ventana de captación ≔ T3 3.7 m Longitud de la ventana de transición ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 16
- 17. DISEÑO DE BOCATOMA 7.1.- Longitud del canal desripiador ≔ L1 = 2.5 ( ( - 1.9 T3 T2) ) 7.575 m 7.2.- Dimensionamiento de la compuerta Figura 21: Esquema de compuerta de Disripiador Ecuación para el caudal que pasa por la compuerta ≔ Qcl 1000 ―― m3 s ≔ Cd 0.6 Coeficiente de descarga del orificio ≔ g 9.81 ― m s2 ≔ Cc 0.61 y1=H el cual se muestra en la figura anterior ≔ H 4.01 m Q_cl=Cd*1.5*a*√2*g*H-Cc*a ≔ a 0.4 m 8.- CANAL DE TRANSICIÓN-CAMBIO DE SECCIÓN DE CANAL ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 17
- 18. DISEÑO DE BOCATOMA 8.- CANAL DE TRANSICIÓN-CAMBIO DE SECCIÓN DE CANAL Se toma de referencia de acuerdo al creiterio de J.Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que deba formar la intersección de la sup.con el eje de estructura sea 12°30' y por cálculos experimentales puede ser aumentado a 22° 30'. Figura 22: Esquema de Transición de Canal DATOS: ≔ Lt 4.10 ≔ TB 3.70 m. Inicio de canal. Tb=??' Final de Transición. ≔ α ° 12 30 ≔ Tb 3.6 m III .- RESULTADOS OBTENIDOS Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Para las características del rio se obtufo un Fr=2.44, implica un comportamiento de resalto Oscilante. Otra característica del rio, obtuvimos un Ancho de encauzamiento de río promedio de Be= 95m. Ventana de Captación, con dimensiones de 4.80m x 0.75m Barraje Fijo, altura de P=1.60m, un ancho de 85.00m y un enzanche de 22cm por corrección de robustez para perfil creaguer ver fig. 14. Barraje movil con longitud de 10.00m. (compuertas) Colchón disipador con una Longitud de 19.00m. Compuerta de limpia, obtuvimos una altura de diseño de 1.80m con una pendiente de 0.004. Canal Desripiador, obtuvimos su orificio de 0.4 m. Canal de transicion para un longitud de 4.10m obtuvimos una ventana de salida de 3.60m. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CIV 10-1 Página 18