BOCATOMA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERUFacultad de Ingenieria Civil

Diseño de Bocatomas

DISEÑO DE BOCATOMA

La presa derivadora llamada también toma, bocatoma o azud son estructuras que se construyen para levantar el nivel

del tirante de agua de un cauce y permiten derivar una parte del caudal del rió a un canal con la finalidad de utilizar el

el agua en irrigación, generación de energía eléctrica o en un proyecto de abastecimiento de agua.

La mayoría de presas del tipo de barraje, son diseñadas para que las avenidas del río pasen por encima del barraje fijo,

se construyen de concreto, aunque en algunos casos pueden construirse con enrocados y materiales de acarreo.

DATOS:

Caudal maximo de diseño Q 45.81 m3/segCaudal medio del rio Q 2.36 m3/segCaudal minimo Q 0.22 m3/segCaudal a derivarse Q 0.03 m3/segPendiente del cauce del rio S 0.0085Pendiente del Canal de derivacion S 0.0015Coeficiente de Manning del rio n 0.028Coeficiente de Manning del canal n 0.025Factor de fondo Fb 1.2Factor de orilla Fs 0.2Parametro que caracteriza al cauce a 0.75



1. ANCHO DE ENCAUZAMIENTO DEL RIO

BLENCH:

B = 30.01 m

ALTUNIN:

B = 13.17 m

PETIT:B = 16.58 m

Donde:

B : Ancho de encausamiento. Nota: Tomar el valor enteroQ : Caudal maximo de diseño. del promedio de los 3 valores.

Fb : Factor de fondo.Fs : Factor de orilla. B 19.00 ma : Parametro que caracteriza al cauce.S : Pendiente del rio.

2. TIRANTE NORMAL DEL RIO AGUAS ARRIBA

A = B * ynP = B + 2 ynR = (B * Yn)/(B+2yn)

13.91

FsFbQB .81.1

5/1

2/1.SQa

B

2/145.2 QB

nSRA

Q2/13/2.

2/13/2)2*

()*(

SynBynB

nynB

Q

2/1)(*

rio

rio

SnQ



Por tanteo: 0.858 my 0.85 m

3.DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE DERIVACION

Para una seccion rectangular de maxima eficiencia hidraulica-MEH

A = b* y= 2y^2P = b+2y= 4y

0.01936

Por tanteo: y = 0.21 (Se recomienda que el tirante del canal sea multiplo de 5)

b = 0.40 my = 0.20 m

4. DIMENSIONAMIENTO DE LA VENTANA DE CAPTACION

Se desestima el valor de la velocidad de aproximacion; es decir h1 = 0

u = 0.6

h2(m)= 0.10 (altura de la ventana de captacion)

b 0.40 mh2 0.10 m

5. CALCULO DE LA ALTURA DEL BARRAJE.

La altura del azud esta dado por:

DIMENSIONES DE LA VENTANA DE CAPTACION

b=2y

)(*2***32 2/3

12/3

2 hhgBuQreq

)(*2***32 2/3

2hgBuQreq

SnQ canalderivacion*

20.020 hhP



Donde:

P = Altura del azudho = Altura del fondo de rio a cresta de la ventana : 0.25 m mh2 = Tirante de en la ventana

P : 0.55 m

6. FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE. Hd : 1.24

X Y Pto X Y

0 0 O 0 0

0.05 0.001629 P1 -0.1093228 0.0099384389

0.1 0.005873 A -0.2174034 0.037269146

0.15 0.012435 P2 -0.2509456 0.0546614141

0.2 0.021173 P3 -0.3167877 0.1080805234

0.25 0.031994 B -0.35033 0.1614996326

0.3 0.044828

0.35 0.059621 COORDENADAS LINEA DE TRANSICION0.4 0.076329

0.45 0.094912 X Y

0.5 0.115338 1.2 0.583

0.55 0.137577 1.25 0.6284545

0.6 0.161605 1.3 0.6739091

0.65 0.187398 1.35 0.7193636

0.7 0.214935 1.4 0.7648182

0.75 0.244196 1.45 0.8102727

0.8 0.275165 1.5 0.85572730.85 0.307823 1.55 0.90118180.9 0.342156 1.6 0.9466364

0.95 0.378151 1.65 0.99209091 0.415792 1.7 1.0375455

1.05 0.455068 1.75 1.0831.1 0.495967 1.8 1.1284545

1.15 0.538477 1.85 1.17390911.2 0.582588 1.9 1.2193636

1.95 1.26481822 1.3102727

COORDENADAS A PARTIR DEL PUNTO MAS ALTO(DERECHA)

COORDENADAS A PARTIR DEL PUNTO MAS ALTO(IZQUIERDA)



7. LONGITUD TOTAL DEL BARRAJE

Ancho compuerta de limpia : 1.00 mLongitud total del barraje : 18.00 m

8. CAPACIDAD DE DESCARGA DEL VERTEDOR.

H = 1.24 m

Tirante total junto al azud sin considerar velocidad de aproximacion:

Y = P + HY = 1.79 m

Se aplica la ecuacion de continuidad:

V = Q/A V = 1.42 m/seg

h = 0.10 m

La altura total considerando la velocidad de aproximacion seria:

do = P + H + h

do = 1.90 m

9. TIRANTES EN EL BARRAJE Y COLCHON DE DISIPACION

a.- CALCULO DEL TIRANTE AL PIE DEL BARRAJE (PUNTO 1)

Se aplica la ecuacion de Bernoulli entre los puntos 0 y 1

h = V2/2g

5.10**838.1max HLvQ

h0122

21

11

20

00 g

VdZ

gV

dZ



Asumiendo:

1.34 m/segAplicando la ecuacion de continuidad se tiene:

Resolviendo por tanteos:

1.9870 =1.9870 = 1.98708538281

0.493 m

b.- CALCULO DEL TIRANTE CONJUGADO (PUNTO 2).

Se aplica la ecuacion de tirantes conjugados para un regimen supercritico

5.16 m/seg

1.41 m

CALCULO DE LA LONGITUD DEL COLCHON DISIPADOR.

Determinamos el Numero de Froude

F = 1.39 No es necesario la poza de disipacion

a.- CALCULO DE LA LONGITUD DEL COLCHON DISIPADOR:

Se determina con los valores de d1 y d2 calculados

Z0 = Z1

h01 = 0.10V2/2gV0 = Q/B.d0 =

Q0 = Q1 A0.V0 = A1.V1 V1=A0.V0 /A1

d1+1.10 Q12/2g(B.d1)^2

d1=

V1=

d2=

h0122

21

11

20

00 g

VdZ

gV

dZ

5.0

121

211

2 2(42

gd

Vdd

d

dg

VF

.



L = 4 d2 U.S Bureau Of ReclamationL = 5(d2-d1) Baklmnetev - Martzke L = 4.5 d2 LafranetzL = 2.5(1.4 d2-d1) Paulosky

L = 4 d2 5.60 mL = 5(d2-d1) 4.60 mL = 4.5 d2 6.30 mL = 2.5(1.4 d2-d1) 3.70 m

5.10 m

b.- CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DEL COLCHON

Para que el resalto sea sumergido debe cumplirse que:

k = 1.150.00

Y = 0.38 m

Calculo del radio minimo del trampolin:

hvt = (P+H)-d1 hvt = 1.30 m

Calculo del gasto unitario:

q = Q/B = 2.41 m3/seg/m

Vt = 5.05 m/seg

Tirante del agua al nivel del escarpe

dt = q / Vt = 0.48 m

Evaluacion del tipo de flujo:

Lprom =

Y = k*d2 - ( H-Z1 ) Z1=

hvtgVt **2

FVtg dt

*



F = 2.33

Con este valor ingresamos al abaco para la determinacion de R: 0.65

R = 1.15 m

c.- CALCULO DE LA LONGITUD DEL CUERPO DEL AZUD:

Se aplica la Ley de Darcy

V = Velocidad del flujo subterraneo.K = Coeficiente de permeabilidad.z = Diferencia de nivel entre aguas arriba y aguas abajo

k/V = c Coeficiente que depende del tipo de terreno. Para grava y arena = 3.5

z = H - d1 = 0.75 m

L = 2.62 m

La longitud de diseño esta dado por:

L = P + Lcuenca /3 = 1.40 m

Para la longitud total de diseño se toma el promedio:

Ld = 2.00 m

c.- CONTROL DE LA FILTRACION.

Según Lane el camino de percolacion viene dado por:

Se debe igualar con la ecuacion de Lane:

Donde:

c= Coeficiente de Lane.

Lw = ΣLV + Σ(LH/3)

Lw = c . H

Lw = Longitud del camino de percolacion

FVtg dt

*

hvtdtR

V k z L * / VzkL /*



h = Diferencia de carga hidrostatica entre la carga sobre la cresta del barraje y la uña terminal de la poza de disipacion

c= 3.5 Grava mediah = P - d2 = 0.49 m

1.70

Lw = c . H

Lw =



La mayoría de presas del tipo de barraje, son diseñadas para que las avenidas del río pasen por encima del barraje fijo,



-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

PERFIL CREAGER (Hd = 1.24 m)

Column CTRAMO O-A-BTRAMO DE TRANSICION

Eje x

Eje

y

ANALISIS DE ESTABILIDAD

A.- ANALISIS DE ESTABILIDAD POR VOLTEO:

1.- DETERMINACION DE CENTRO DE GRAVEDAD CUANDO LA PRESA ESTA VACIA.1.40

0.30

0.55 B

0.30

0.45 C

2.00

FIGURA AREA W Xc/ro Yc/ro WX WYA 0.17 0.40 1.85 0.73 0.73 0.29B 0.39 0.92 0.93 0.63 0.86 0.59C 0.90 2.16 1.00 0.23 2.16 0.49

TOTALES 3.48 3.76 1.36

1.08 0.39

2.- DETERMINACION DE LA EXCENTRICIDAD CON PRESA VACIA CUANDO SE PRESENTA UN SISMO:

Para el calculo de la fuerza sismica se considera una aceleracion de 0.05g = 0.4905 m/seg2

FS = m.a m = W/gFS = W/g. 0.05g 0.17 Tn

FS

W W*d -Fs * y = 0

X W*d = Fs * y R XR

d = 0.05 y

d 0.02 mLa resultante de Fs y W esta a XR

XR 1.10 m XR= d + x

La excentricidad sera igual a: e = XR - b/2

e 0.10 m b = 3.40 m

El eje de la fuerza resultante pasa por el tercio central de la base (2/3b)= 2.27 m

XWX

W Y

WX

W

0M

3.- RESULTANTE DE LA FUERZA CON PRESA LLENA Y ACTUANDO VERTICALMENTE LAS PROYECCIONES HORIZONTALES DE LA PRESA

0.30 1.40

1.27 D

E

F0.30

2.00

Fig Area W Xc/r0 WXA,B,C 3.48 1.08 3.76

D 0.38 0.38 1.85 0.70E 1.14 1.14 1.00 1.14F 0.11 0.11 0.15 0.02

Sumatoria 5.10 5.61

1.10 m

4.- CALCULO DE LAS SUBPRESIONES Y SU PUNTO DE APLICACIÓN 0.35

Presion hidrostatica cara aguas arriba : P1 = W x h1 1.94 Kgs/Cm2Presion hidrostatica cara aguas abajo : P2 = W x h2 0.85 Kgs/Cm2

2.00

A 0.851.94

B 1.09

La resultante pasa por el tercio central

Fig Area Sp Xc/r W.XA 1.71 1.71 1.00 1.71

B 1.09 1.09 1.33 1.45

Sumatoria 2.79 3.15

1.13 m

5.- CALCULO DE LAS FUERZAS HORIZONTALES ACTUANTES:

EMPUJE HIDROSTATICO:

XWX

W

XWX

W

221 hE

E1 = 1.88

EMPUJE HIDROSTATICO POR SISMO:F = m * a = 0.05WE1 = 0.05WE2 = 0.17 Tn

EMPUJE ACTIVO DEL POR SEDIMENTOS

Considerar a = 0.05 gE3 = 0.01

1.8 Tn/m3 S. Saturado 0.8 Tn/m3 S. SumergidoKa = 0.65 Gravas y arenas

DESCRIPCION FUERZA (Tn) Xc (m) Yc (m) MR (Tn.m) MA (Tn.m)PESO PRESA LLENA 5.10 1.10 5.61

SUBPRESIONES 2.79 1.13 3.151.88 0.65 1.21

EMPUJE SISMICO 0.17 0.82 0.140.01 0.15 0.00

SUMATORIAS 5.61 4.51

1.24 > 1 OK! y = 0.66

B.- ANALISIS DE ESTABILIDAD POR DESLIZAMIENTO:

Fuerzas Axiales (vertical) 5.10 TnFuerza Resistente 3.06 Tn 0.6Fuerzas Actuantes 2.06 Tn

1.49 > 1.5 OK!

C.- ANALISIS DE ESTABILIDAD POR CAPACIDAD DE CARGA:

Para esta verificacion se emplea la siguiente ecuacion:

El valor de e' se determina tomando momentos de las fuerzas actuantes y las fuerzas resistentes

W* n = E * y

n = E * y /W 0.27

EMPUJE HIDROSTATICO

EMPUJE ACTIVO POR SEDIMENTOS

m =

F= m Fa

221 hE

221

3hKE

a

MA

MRFS

FA

FRFS

be

lbW 61*

nXwbe

2'

nXwbe 2

'

= 0.17 m

3.83 Kgs/Cm21.28 Kgs/Cm2

nXwbe 2

'

be

lbW 61*

RESULTANTE DE LA FUERZA CON PRESA LLENA Y ACTUANDO VERTICALMENTE LAS PROYECCIONES

DISEÑO DE MUROS DE ENCAUZAMIENTO

DATOSɸ1: 30ϒ(Kg/m3): 2800c1: 0ɸ2: 45ϒ(Kg/m3): 2600c2: 50h(m): 2.573333D(m): 0.9H(m): 3.473333ϒ agua(Kg/m3):1000h agua(m): 1.93α: 0

A. VERIFICACION POR VOLTEO

1. Consideraremos las siguientes dimensiones:

Corona: 0.3 (min)Punta: 0.521 (0.15H)Talon: 0.521 (0.15H)Base: 2.084 (0.6H)

2.Calculo de Ka:

Ka: 0.33

3.Calculo de Pa:

Pa (kg) 5629.89

4.Empuje del agua:

Ea(kg) 1862.45

5.Verificacion contra volteo:

N° AREA(m2)

1 1.53816567 4306.86386666667 1.8235 7853.566260866662 1.09531567 3066.88386666667 1.315666 4034.994829321873 1.09531567 2628.7576 1.06833 2808.3806068084 0.8857 2125.68 0.671 1426.331285 1.085764 2605.8336 1.042 2715.2786112

∑= 14734.0189333333 ∑= 18838.5515881965

6. Momento ejercido por el agua:

Ea 1198.1762

7. Momento resistente:

Mr 20036.728

8.Momento de volteo.

Mo 6518.1585317

8.Factor de seguridad:

FS: 3.07 > 2 OK

B. VERIFICACION POR DESLIZAMIENTO

DATOSK1 0.66666666666667K2 0.66666666666667Pp 0

FS: 1.523 > 1.5 OK

PESO/LONGITUD (Kg/m)

BRAZO DE MOMENTO

MOMENTO (Kg-m/m)

C. PRESION SOBRE EL SUELO

1.Calculo de la excentricidad

e 0.12449 m

2.Calculo de capacidad de carga de talon

q talon(Kg/m2) 9604.15q punta(Kg/m2) 4535.98

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