UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

E. A. P. INGENIERIA CIVIL

DISEÑO DE UNA OBRA DE CAPTACION: BOCATOMA FLUVIAL

DISEÑO DE BOCATOMA

I. OBJETIVOS

El objetivo fundamental del diseño de una bocatoma es promover el desarrollo integral de los Valles de Influencia del Proyecto, elevando el nivel de vida del poblador rural, a través del aumento de la producción y productividad agropecuaria.

Mejoramiento y Ampliación de Áreas Bajo Riego, en los Valles

deficitarios de Nepeña, Casma y Sechín y el manejo racional del agua en el valle de Santa – Lacra marca.

Generación y Mejoramiento de Empleo, el Proyecto por su naturaleza, estaba llamado a generar las mejores oportunidades de insumir mano de Obra, tanto en su etapa de ejecución de la infraestructura, como durante el funcionamiento y su operación.

II. CONSIDERACIONES DE DISEÑO

A) OPERACIÓN DE PRESAS DE DERIVACIÓN:

En condiciones de operación más desfavorable, el vertedero de la

presa debe permitir el paso del caudal máximas.

En condiciones de operación, la captación se obtiene de una ventana

frontal en el muro de encauzamiento. El control del caudal en la

bocatoma y el canal de derivación se efectúa por compuertas y en

un aliviadero lateral en el canal de derivación. Antes de la ventana

se diseña el canal de limpia y un canal de purga luego de la ventana

de captación que permite el control sobre material grueso de

arrastre.

B) EFICIENCIA DE UNA PRESA DE DERIVACIÓN Asegurar la derivación permanente del caudal de diseño (QD).

Dejar pasar la avenida de diseño (Qmax), que contiene gran cantidad

de sólidos en arrastre y material flotante. Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios para su

evacuación. Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables

desde el punto de vista constructivo. Conservar aguas abajo, suficiente capacidad de transporte para

evitar sedimentación.

C) FACTORES QUE DISMINUYEN LA CAPTACIÓN Necesidad de mantener en el río un caudal remanente, lo suficiente

importante como para evitar sedimentación y permitir el arrastre de sólidos no captados.

El caudal empleado por medio de un canal de purga para eliminar el material sólido grueso, inmediatamente luego de su ingreso.

El caudal empleado para purgar desarenador (5 a 10% del caudal derivado).

III.- ESTUDIOS REALIZADOS EN LA ZONA

1. ESTUDIOS HIDROLOGICOS La bocatoma para el Proyecto será construida sobre el río Santa a una altitud aproximada de 325 msnm, teniendo una cuenca aportante de 10800 km2.

A) CLIMATOLOGÍA La precipitación de la zona donde se construirá la bocatoma

es prácticamente nula. Según los registros de la estación controlada por SENAMHI la precipitación anual llega a los 11 mm.

La máxima temperatura media mensual registrada ha ido 32 ºC ocurrida en el mes de febrero y la mínima de 12ºC ocurrida en agosto.

Las horas de sol por día varían entre 7.7 para los meses de diciembre, enero y febrero y 6 horas para los meses de junio y julio.

B) ANÁLISIS DE AVENIDAS

Para determinar caudales de diseño para la construcción de la bocatoma se ha realizado el análisis de avenidas del Río Santa en base al registro de caudales máximos del periodo 1957 – 1984 registrado en la Estación Condorcerro, que se presentan el siguiente cuadro Nº01.

Dicha estación esta ubicada a 14 kms. aguas arriba del sitio elegido para la bocatoma, teniendo prácticamente la misma cuenca receptora.

El río Santa medida en al estación CONDORCERRO presente su periodo de avenidas entre diciembre y abril de cada año concentrándose en marzo los registros máximos instantáneos.

CUADRO Nº 01Caudales Máximos diarios (CMD) y Máximos Instantáneos

(CMI)

AÑOCMD(m3/s)

CMI(m3/s)

1958 407.9 618.5

1959 787.2 887.5

1960 753.4 1205.0

1961 880.5 1650.0

1962 780.0 1078.0

1993 854.8 1170.0

1964 471.6 607.0

1965 --- ---

1966 395.8 482.0

1967 805.2 925.0

1968 348.5 403.5

1969 598.4 922.0

1970 988.0 1186.0

1971 --- ---

AÑOCMD(m3/s)

CMI(m3/s)

1972 --- 2750

1973 --- ---

1974 --- ---

1975 648.5 900.0

1976 611.4 ---

1977 1019.5 1130.0

1978 301.8 422.0

1979 627.7 730.0

1980 257.9 492.0

1981 --- ---

1982 552.6 736.0

1983 571.0 760.0

1984 792.2 1041.0

(Estación Hidrométrico Condorcerro)

2. ESTUDIOS GEOLOGICOS Y GEOTECNICOS

Los registros de perforación que se presenta en esta zona de la bocatoma indican lo siguiente:

Entre los niveles 327 y 324 msnm el material predominante es una arena limosa (SM) intercala con capas de arcilla de baja plasticidad (CL) y arena mal graduada (SP).

Entre los niveles 324 y 320 msnm los materiales predominantes son las gravas bien graduadas (GW) y gravas mal graduadas (GP) intercala con estratos de arcilla arenosa de baja plasticidad (CL), arenas limosas (SM) y arena mal graduada (SP). Entre los niveles 310 y 303 msnm los materiales predominantes son los guijarros de 4” a 10” de diámetro de una matriz de grava y arena.

Debajo del nivel 303 msnm y sobre el margen izquierdo del cauce principal del río Santa se evidencia la presencia de la roca básica.

A la profundidad de 6.30 (cota 319.14 msnm) ha sido encontrado el nivel freático.

IV. DISEÑO HIDRÁULICO

CARACTERISTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO:

Caudal de Máxima Avenidas : 3134,57 m3/s

Caudal en Época de Estiaje : 24, 25 m3/s

Talud de márgenes del río (Z) : 0

Ancho de Cauce B : 252.00 m

Pendiente del Río So (%) : 0.6 %

1.- CAUDAL DE DISEÑO (Qd)

METODO DE GUMBEL

A. Cálculo el promedio de caudales :

Qm = 20042.4 m3/sg

/s954.4m21

20042.4Q 3

m

B. Cálculo de la desviación estándar de los caudales :

515.1320

21(954.4) -(4943.24)σ

22

Q

C. Cálculo de los coeficientes : De la tabla , para N = 21años, se tiene:

YN = 0.5252 y N= 1.0696

D. Cálculo del caudal máximo: ( T = 50 años )

50ln-5252.00696.1

13.515 -4.954max Q

sgmQ /53.2585 3max

E. Cálculo de :

Para T = 50 años = 1-1/50 = 0.98

F. Cálculo del intervalo de confianza: Como mayor que 0.90, se utiliza la sgte. ecuación:

0696.1

13.515*14.1Q sgmQ /035.549 3

G. Cálculo del caudal de diseño: Se tiene, para T = 50 años: Qd = 2585.53 + 549.035 Qd = 3134.57 m3/s

2. CAUDAL A DERIVAR (QD)

Caudal de Demanda: Qdem. = 4000 ha x 1 lt/seg = 4000 lt/s = 4.00 m3/s

Caudal de Limpia:

Distribuyendo el caudal de limpia

Qdesar. = 1.00 m3 / s

Q desrrip. = 0,5 m3/s

Caudal de Infiltración:

P = 0.0375 x C (Q /V)1/2

P = 0.0375 x 0.10 x (5.5 / 3)½ = 0.0005 m3/km

Considerando desde una captación hacia las zonas de irrigación una

longitud de 11 Kms. Lo que resulta un caudal de 0.0055 m3/s

Caudal a Derivar QD:

Qderiv = Q dem + Qdesar + Q desrrip

Q D = 4 + 1 + 0,5 = 5,50 m3/s

3. CALCULO DEL TIRANTE DEL RIO Rugosidad del río:

nrio = (no + n1 + n2+ n3+ n4) ( n5)

nrio = (0.028 + 0.005 + 0.005 + 0.00) x 1 = 0.043

Para condición de Máxima Avenida, tenemos que :f = 252 ms = 0.006Qd = 3134.57 m3/s

Z = 0Aplicando según Maning: Si f = ma

nQ

S x RA x

1/22/3

3/2

2

5/38/3

1

zm

m

1

zzm

=

3/82/1

.

fs

nQ

a = 3.20 m (Tirante) V = 3.86 m/s

4.- DISEÑO DEL CANAL DERIVADOR

Q = 5 m3/sn = 0.014s = 0.005z = 0Analizaremos el canal con una sección rectangular y para sección de máxima eficiencia hidraulica MEH:

z)-z1(2 m 2 m = 2.00

Según Manning

nQ

S x RA x

1/22/3

3/22

5/38/3

1

zm

m

1

zzm

= 3/82/1

.

fS

nQ

a = 0.92 m V = 3 m/sf b = 0,69 m

f = 1.83m

5.- DISEÑO DE ALTURA DE BARRAJE

PARA CONDICIÓN EN ESTIAJE:

Caudal que pasa por el barraje fijo (Qb):

El caudal en estiaje menos el caudal que se captara por la ventana:

Qb = 24,25 – 5,50 = 18.75 m3/segCota del canal derivador (Zc):

Zc = 327.00 msnm. Altura del Barraje (P): Carga sobre el vertedero:

He = = [18.75/(2.4x168)]2/3 = 0,13 m

Aplicando la Ec. de Energía en el canal de derivación y el río (0):

E rio = E canal + Σh

Zc + Yc + Vc²/ 2g = Zrio + P + He + Σh

327.00 +0.92 + [(3)2/(2x9.81)] = 325 + P + 0.13 + 0.25

P = 3.60 m

3/2

.

.

LCd

dQ

6. DISEÑO DE LA POZA DISIPADORA (BARRAJE FIJO)

PARA CONDICIÓN EN MAXIMA AVENIDA

Carga sobre el vertedero: He = = [2089.71/(2.4x168)]2/3 = 2.99 m

Hallando Hv , Hd y h0-1

(a) ..... 81.9x2)60.3Hd(x168

71.208922

2

He = Hd + Hv Hv = 2.99 – Hd …. (b)

De las Ecuaciones a y b obtenemos: Hd = 2.80m Hv = 0.19m

h0-1 = 0.1( V0² / 2g ) = 0.1 Hv = 0.1x 0.19 = 0.019 m

Hv = V0² / 2g Hv =

3/2

.

.

LCd

dQ

- Hallando tirantes conjugados y profundidad de poza

Aplicando la Ec. de Energía entre y :

Zr + P + He = (Zr - r) + Y1 + V1² / 2g + h0-1

Zr + 3.60 + 2.99 = (Zr - r) + Y1 + (2089.712 /(( 168 y 1)² (2x 9.81)) + 0.019

Y1 + (7.886 / Y1²) - r = 6.571 …. (1)

Tirantes conjugados:

gYV2

4Y

2/Y-Y 12

1112 … (2)

Condición de resalto sumergido: Yn + r > Y2

Dando valores a r , si Y n = 3.22 m

1

112 Y

54.314Y

2/Y-Y

r Y1 Y2 Condición

Yn + r Resalto

0.50 1.15 4.69 > 3.72 Alargado

1.00 1.10 4.83 > 4.22 Alargado

1.50 1.06 4.95 > 4.72 Alargado

2.00 1.02 5.07 < 5.22 Sumergido

Entonces: r = 2.00 m Y1 =1.02 m Y2 = 5.07 m

- Longitud de Poza de Disipación (L):

L = 4.5 (y2 - y1) L = 4.5 (5.07 - 1.02) = 18.23 = 18.50 m

7. DISEÑO DEL PERFIL DEL BARRAJE FIJO - Ecuación de la curva del barraje:

1-)(- nn HdKX si: n = 1.85 Hd =

2.80K = 2.00

YX 1-85.185.1 )80.2(2- Y798.4-X 85.1

Dando valores a la altura (Y):

X 0 1.60 2.33 2.91 3.40 3.83 4.23 4.59 4.66 4.94 5.26 5.57 5.81 5.90

Y 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 3.60 4.00 4.50 5.00 5.50 5.60

Pendiente de cara aguas

arribaK n

Vertical (0)

3 a 1 (0.33)

3 a 2 (0.66)

3 a 3 (1.00)

2.000

1.939

1.939

1.873

1.850

1.836

1.810

1.776

- Forma en la coronación del barraje

1º punto: 0.175 Hd = 0.175x2.80 = 0.49m ; r = 0.50Hd = 0.50x2.80 = 1.40 m

2º punto: 0.282 Hd = 0.282x2.80 = 0.79m ; r = 0.20Hd = 0.20x2.80 = 0.56 m

- Forma de la curva de transición entre el barraje y la poza disipadora

Rmin = 0.5Hd = 0.5 x 2.80 = 1.40 m

Rmax = 2.0Hd = 2.0 x 2.80 = 5.60 m

Asumimos: R = 3.00 m

β = 56.41º (obtenido de gráfica)

Tangente de la curva circular:

T = R Tg (β/2) = 3.00 Tg (56.41/2) = 1.61 m

8. DISEÑO DEL BARRAJE MÓVIL

22

2

2

Ancho barraje móvil:B = 84.00 mb pilar = 1.70 mnº pilares = 6.00 nº claros = 6Long. Claro = 12.00 mAncho barraje móvil real:B real = 6 x 12 = 72.00 m Q = 1044.86 m3/ sgS = 0.6 %V = 3.86 m/sLongitud de poza:Eo = Z rio + Y rio + V 2/ 2g ...(1)Eo = 325 + 3.22 + (3.86) 2/ 2(9.81)Eo = 329.00 mEo = E1 ...(2)

329.00 = ( 325 – r ) + Y1 + V12/ 2g

Y1 + (7.89 / Y1²) - r = 4.00 …(3)

gYV2

+4Y

+2/Y-=Y 12

1112

Asumiendo valores a r , si Yn = 3.22

r Y1 Y2 Yn + r

0.50 1.66 3.60 3.72

Como la condición es: Yn + r > Y2 3.60 < 3.72

Entonces: r = 0.5 m Y1 =1.67 m Y2 = 3.6 m- Longitud de Poza de Disipación (L):

L = 4.5 (Y2 - Y1) L = 4.5 (3.6 - 1.67) = 8.7 = 9.00 m

…(4)

9.- DISEÑO DE CANAL DE LIMPIA

Velocidad de inicio de arrastre:Vc = 1.5 C D1/2D = 5 cms = 0.05 mC = 4.5 (Tabla)Vc = 1.51 m/sPendiente del canal de limpia:Q = 3134.57 m3/sgB = 252 mq = 12.44 m3/sg/mn = 0.014Sc = (n2)(g10/9)/(q2/9)Sc = 1.5 %Qc = 2Qd = 2 x 5.5 = 11m3/sgY = 3.6 m Por Manning : b = 1.80m V = 1.70 m/sg

10. VENTANA DE CAPTACIÓN

Q = 5,5 m 3/ sg

A) Como Orificio:

Q = Cd x A x √2gxhL

Calculo Cd :

ν D x V

= Re

V = 1.5 m / sg

D = Mínima dimensión del orificio : 1.5 m

v = Viscosidad cinemática del agua: 1 x 10 -6

6

610x25.2

10x1

1.5 x 1.5 Re _

Para Re > 1 x 10 5 se tiene.

Cv = 0.99

Cc = 0.605

Cd = 0.60

hLxg2Cd

Q = A

hL = 1.2 – H / 2

)2/H9.1(81.9x2Cd

Q A

3.20 mts

2.00 mts.

1.2

Como velocidad máxima de ingreso a la ventana ≤1.5 m/ sg se optara

dimensiones que se aproximen a esta velocidad.

B = 3.00 m

H = 0.76 m = 0.80 m

h L= 0.82 m

V = 2.30 m/sg

B) Como Vertedero:

3/2)BxCd

.Q(=He

He = [5.5/(2.4x3.00)]2/3 He = 0.84 m

Hd = He – Hv = 0.84 – [(2.40)2/(2 x 9.81)]

Hd = 0.55 m

B H hL V

3.00 0.76 0.82 2.40

2.50 1.00 0.70 2.20

Perdidas en Ventana:

* Perdidas de entrada :

Pe = ke x Hv Ke = 0.23 (Aristas

redondeadas)

Hv = ( 2.42 )/(2 x 9.81) ===> Hv = 0.30 m

Pe = 0.23 x 0.30 ===> Pe = 0.068 m

* Perdidas en rejillas:

Pr = K ( t /b )4/5 x senФ x h v

K = 1.79

Pr = 1.79 ( 0.5 / 2 )4/5 x sen 75 x 0.30

Pr = 0.17

HD1 = 0.55+ (0.068 + 0.17 )

HD1 = 0.79 m

Y = 2.79 ≈ 2.80 m

Área Real de la ventana:

T = 0.5 “ = 0.0125 m

B = 2.0 “ = 0.05 m

nº barrotes = 59

B real = 3 + 59 x 0.0125 = 3.75 m

A real = 3.75 x 0.8

A real = 3.00 m2

bt t

2”½” ½”

11. DISEÑO DEL DESRIPIADOR

Q= 5.5 m3/s

H = 0.8 m

Y1 = 1.5 m

Y2 = 1.0 m

Zo = 0.5 (Asumido)

Z1= 0.1 m

∆H = 0.42 m

Para que sea vertedero sumergido:Zo/Y2<0.70.5/1<0.7Por lo tanto: ok

1.- Como vertedero Sumergido:

Mo = [0.407 + (0.045H/(H + Y1))][1+0.285 (H/(H + Y1))](√2g)

Reemplazando:

Mo = 1.94 m

Longitud :

Q = Mo x Cd x L x (∆H)3/2

L = Q/(Mo x Cd x (∆H)3/2)

L =4.34m = 4.40m

Ancho:

L = [ (B2-B1)/2Tg 12.5º]

B2 = L (2Tg 12.5º) + B1

B2 = 3.78 = 3.80 m

12. DISEÑO DEL DESARENADOR

Caudal: Q = 5 m3/sProf. Útil: h = 3.00 mPeso Especifico.: γ =1.05 gr/cm3

PASO 1: Diámetro de partículas a eliminar ( Ø mínimo)Para fines de irrigación se considera: Ø mín. =0,5 mm.

PASO 2:Calculo de la Velocidad crítica de flujo (Vh)Para desarenadores de régimen de flujo lento se considera 0.20 < Vh < 0.60 m/s, entonces:

Vh = 0,30m/s

Según Camp, la velocidad de partículas está en función del tamaño de éstas:

Vh = a √d (cm/s)

Vh = 31,11cm/s Vh = 0,30 m/s.

PASO 3:Cálculo de la Velocidad de Sedimentación (Vs)

Con los siguientes valores entramos al ábaco de SUDRY:

Ø = 0,5mm

γH2O = 1.05gr./cm³

Vs = 6,00cm/s

Según Owens:

ss ( dk V cm/s

K: cte. que varia de acuerdo a forma y naturaleza de granos. Los

valores se muestran en la tabla2.

Vs = 8.25 x V 0.0005 (1050 -1)d en metros

Vs = 5,97cm/s

Vs = 6 cm/s Vs =0,06 m/s

PASO 4: Cálculo de la Longitud del Desarenador:

s

h

V

hxVL

Considerar según el tipo de terreno de fundación una profundidad: h =2,80m

L = 0.30 x 3.0 0,06

L = 15,00m

Considerando efecto de turbulencia: L = 1.2 x 15 =18.00m

PASO 5: Cálculo del Tiempo de caída de partícula:t = h /Vs

t = 300 6,00

t = 50.00 seg

PASO 6: Cálculo del Volumen útil:Vol = Q x t Q = 5,00 m3/sVol = 250,00 m3

PASO 7: Cálculo del ancho B de la nave (Sección Rectangular):

Vol. = BxhxLB = Vol. L x hB = 4.63 m

Verificamos si Vh = 0.30 m/s :Vh = Q/A = 5 / (3x4.63)Vh = 0,36 m/sSi se encuentra en el rango de flujo lento.

PASO 8: Cálculo de la longitud de transición de entrada: LT = B2 - B1 B2= 1.85m (Espejo aguas arriba)

2 tg 12.5 B1= 4.70 m (Espejo del desarenador)LT = 6.43 mts.PASO 9: Diseño del Sistema de limpiaPara sistema intermitente: Q = V x A 3 < V < 5 m/seg Vol./t = V x A Asumir t = 60 segs

60x5.3250

t VVol

A

A = 1,19 m2 => 1,20m2 Diseño del Canal de limpia:Consideramos una sección rectangular de máxima eficiencia hidráulica:b = 2y …(1)Por Continuidad:Q = V A Q = 100 m3/sQ = V b y V = 4.00 m/sb y = 0.25 m2 … (2)

De la ecuaciones (1) y (2): b = 0.70 m

y = 0.35 m

Pendiente del Canal:

2

3

hLCQ 2

3

h C

QL

A x V= (L h) V

nSxR

V2/12/3

PASO 10: Cálculo de la longitud de vertedero de salida

23/2 )

R

Vn(S

La velocidad de salida debe estar en un rango de Vm < V < 1 m/seg, con el fin de evitar pasar sedimentos hacia el canal; tendremos las siguientes consideraciones:

…(1)

Sabemos que el agua que pasa por el vertedero es:

VLQ

h …(2)

Con las (2) ecuaciones hallamos la longitud del vertedero:

V = 1 m/s

L = 4.80 m C = 2 (Creager)

Q = 4 m3/seg

La carga que pasa sobre el vertedero será:

h = 0.60 m

Esquema del Desarenador:

16.80 mts.

B1 = 4.10 mts.B2 = 5.95 mts.

Desarenador:

16.80 mts.

B1 = 4.10 mts.B2 = 5.95 mts.

13.- MURO DE ENCAUZAMIENTOPARA CONDICION DE MAXIMA EFICIENCIA

Condiciones Hidráulicas del río:

f = 252 m

I = 0.006

Qd = 3134.57 m3/s

Z = 0

Aplicando según Manning: Si f = ma

an = 3.20 m (Tirante) V = 3.86 m/s

Tirante Critico:

ac = (Q2/ gb2)1/3 = (3134.572/ 9.81x2522)1/3 = 2.50 m

Tipo de circulacion o regimen: an = 3.20 m > ac = 2.50 m (Régimen Río)

Tirante mayor sobre el barraje: Y = altura del barraje+ hd Y = 3.60 + 2.80 = 6.40 m

CURVA DE REMANSO

Y

(m)

A

(m2)

V

(m/s)V2/ 2g

B

(m)B2-B1 R R2/3 S Sm I-Sm ∆L L

6.40 1612.8 1.943 0.193 6.593 0 6.09 3.3356.28x1

0-4 0 0 0 0

5.90 1486.8 2.108 0.227 6.123 0.466 5.63 3.1678.20x1

0-4

7.24x10-

4 5.28x10-3 88.309 88.309

5.40 1360.8 2.303 0.1271 5.671 0.456 5.17 2.9931.10x1

0-3

9.57x10-

4 5.04x10-4 90.439 178.74

4.90 1324.80 2.539 0.329 5.229 0.442 4.71 2.8121.51x1

0-3

1.30x10-

3 4.70x10-3 94.044 272.79

4.40 1108.80 2.827 0.408 4.888 0.421 4.25 2.6242.15x1

0-3

1.83x10-

3 4.17x10-3 100.87 373.66

3.90 982.80 3.189 0.519 4.419 0.389 3.78 2.4283.19x1

0-3

2.67x10-

3 3.33x10-3 116.68 490.34

3.40 856.8 3.658 0.683 4.083 0.337 3.31 2.2215.02x1

0-3

4.10x10-

3 1.90x10-3 177.21 667.55

3.20 811.40 3.862 0.760 3.980 0.100 3.13 2.140 6x10-3 5.51x10-

3 4.40x10-4 205.90 873.54

Donde:

A = Y x f

V = Q/A

B = V2/2g + Y

R = A/(2Y + f)

S = (V x n / R 2/3)2

Sm = (S1 + S2 ) / 2

∆L = (B2-B1)/(I - Sm)

L = Li + Li+1

V. RESUMEN

CARACTERISTICAS DE LA ESTRUCTURA DE CAPTACIONMARGEN IZQUIERDA

1. Captación: Río Santa

2. Caudal de Captación: 7 m3/s

3. Barraje móvil de concreto armado con (6) compuertas deslizantes de 12.00

de ancho por 3.60 mts. alto.

4. Barraje fijo de concreto simple, revestido con piedra, con perfil tipo

Creager y de 168 mts. de longitud.

5. Bocal de captación de concreto armado f’c=210 Kg/cm2 con una puerta

deslizantes de 1.60 de ancho por 1.55 mts, de alto.