DISEÑO HIDRAULICO DE UNA BOCATOMA

I. INFORMACION BASICA

DATOS HIDROLOGICOS PARA UN PERIODO DE RETORNO DE 100 AÑOS

DATOS VALOR

Caudal maximo 15.66 m3/s

Caudal minimo 4.40 m3/s

CAUDAL DE DERIVACION

DATOS VALOR

Caudal de diseño 0.97 m3/s

1.11 m3/s

CALCULO DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD

1.- Valor basico de arena para cauce arenoso 0.014

2.- Incremento por el grado de Irregularidad (poco irregular) 0.005

3.- Incremento por el cambio de dimenciones ocasionales 0.005

4.- Aumento por Obstrucciones por arrastre de raices 0.000

5.- Aumento por Vegetacion 0.008

n = 0.032

DETERMINACION DE LA PENDIENTE DEL RIO

62.50

0+0.00 7350 7+350

S = 0.0085

OTROS DATOS

ANCHO DE RIO 15 m

CAPACIDAD PORTANTE 2.5 Kg/cm2

ANGULO ESVIAJADO 90 °

COTA DE FONDO DE RIO 4310 msnm

PERIODO DE RETORNO 100 años

CONSTRUCCION DE LA CURVA DE AFORO DATOS ASUMIDOS

Utilizando la formula de Manning

R2/3 1/n S1/2 Q (m³/s)

4310.0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.092 0.000

4311.0 9.68 92.48 0.105 0.222 31.25 0.092 2.920

4312.0 50.68 98.48 0.515 0.642 31.25 0.092 75.157

4313.0 91.68 99.48 0.922 0.947 31.25 0.092 243.478

4314.0 132.68 100.48 1.320 1.204 31.25 0.092 504.868

4315.0 173.68 101.48 1.711 1.431 31.25 0.092 856.575

4316.0 214.68 102.48 2.095 1.637 31.25 0.092 1295.956

4317.0 255.68 103.48 2.471 1.828 31.25 0.092 1820.470

Caudal de derivación

COTA m.s.n.m

Area Acum.(m²)

Perímetro(m)

RadioHidráulico

𝑄= 1𝑛𝐴𝑅2/3𝑆1/2

4318.0 296.68 104.48 2.840 2.005 31.25 0.092 2427.670

II. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS PARA CONDICIONES CRITICAS

CALCULO HIDRAULICO PARA CONDICIONES CRITICAS

Q 15.66 m3/s

n 0.032

s 0.0085

L 15.00 m

q 1.044 m3/s/m

Yc = 0.481 m

Entonces:

Ac = L * Yc = 7.211 m2

Pc = L + 2*Yc = 15.961 m

Rc = Ac / Pc = 0.452 m

Vc = Q / Ac = 2.172 m/s

Sc = {Q*n/[Ac*Rc^(2/3)]}^2 = 0.014

Ec = 3/2*Yc = 0.721

1.0

CALCULO HIDRAULICO PARA AVENIDA NORMAL

A partir de la formula de maning:

K' = [Q*n/(L^(8/3)*S^(1/2))]

K' = 0.004 y/b

Con este valor acudimos a la fig () donde para una seccion rectangular encontramos que:

Y/L = 0.093

F = V/[(9.81*Yc)^(1/2)] =

0.000 2.920 75.157 243.478 504.868 856.575 1295.956 1820.470 2427.6704306.0

4308.0

4310.0

4312.0

4314.0

4316.0

4318.0

4320.0

CURVA DE AFORO COTA - CAUDALES

CO

TA

S (

m.s

.n.m

)

𝑌𝑐= ඨ𝑞2𝑔3

Reemplazando se obtiene:

1.395m

A = L * Y = 20.925 m2

P = L + 2*Y = 17.790 m

R = A/P = 1.176 m

V = Q / A = 0.748 m/s

El tipo de flujo es:

F = V/[(9.81*Y)^(1/2)] = 0.202 como: F < 1

Entonces corresponde a un flujo subcritico

III. DISEÑO HIDRAULICO DE LA ESTRUCTURA DEL BARRAJE

TIPO DE BARRAJE MIXTO ( fijo + Movil)

BARRAJE FIJO

ALTURA DE CARGA EN LA CRESTA DEL BARRAJE (CASO MAS CRITICO)

Se calcula utilizando la formula:

Q = Caudal maximo

C = Coeficiente de descarga

L = Longitud del rio

Ho = Altura de sobre carga maxima sobrela cresta

Y de acuerdo a la conocida formula de REHBOCK, se determina el coeficiente "C":

C' = ( 3.27 + 0.40 H/P ) *0.55

P = Altura de la cresta

1.- verificacion del caudal maximo con P y Ho asumidos

Q = 150.00 m3/s 2.3L = 59.00 m 1.21P = 2.30 m (asumido)

Ho = 1.21 m (asumido)

C = 1.914

Q = 150.033 m3/s verificando Si cumple Lo asumido

de acuerdo a los calculos anteriores se tiene que:

Yn = 1.395 m

P = 2.30 m

q = 2.542 m3/s/m

V = 0.725 m/s

Del resultado vemos que a mayor P y Ho la velocidad dismuniye generando mayor remanso

Entonces la altura total de la superficie del agua sobre el lecho del rio es:

Y = ( Y/L ) * L =

𝑄= 𝐶𝐿𝐻01.5

Ymax = P + Ho = 3.508

CALCULO DE LA LONGITUD DEL ALIVIADERO Y DE LA COMPUERTA DE LIMPIA

Se recomienda que:

Ac = Ab/10

Ac = Area de la compuerta

Ab = Area del aliviadero

Ademas Lc = Lr / 11

Donde:

Lr = Longitud del rio

Lc = Longitud de la compuerta movil

De acuerdo a los Datos:

Lc = 5.36 1.40 Tomamos este valor

e = 0.35 m

longitud fija del aliviadero

Lf = Lr - Lc - e

Lf = 57.25 m

Correccion de la longitud:

Esta expresado por:

Le = Lf -2*(n1*kp + n2*ka)*He

Le = Longitud efectiva de la cresta

Lf = Longitud fija de la cresta

n1,2 = Número de pilares y estribos 0.00 ; 0.50

kp = Coeficiente de contracción de pilares 0.00

ka = Coeficiente de contracción de estribos 0.20

He = Carga de operación

La correción del aliviadero será:

Le = 57.01 m

La correción para la limpia será:

Le = 1.16 m

DISEÑO DEL BARRAJE DE ACUERDO A LAS LONGITUDES RECOMENDABLES

CUANDO LA COMPUERTA SE ENCUENTRA CERRADA

Para lo cual se tiene los siguientes datos:

Qmax = 15.66 m3/s

Le = 1.16 m

Para determinar "Ho" aplicamos la formula:

Q = C*Le*Ho^1.5 donde: c = Co * k1 * k2 * k3 * k4

Analizando la tabla del BUREAU OF RECLAMATION

Para desarrollar; se hace una serie de tanteos, hasta aproximarse al Qmáx

P = 2.00 m

Ho = 1.21 m (Asumido)

De donde si calculamos:

1. Tomando en cuenta la profundidad de llegada:

del cual: P/Ho = 1.655

Co = 3.82 tabla n°19 del libro Bureau Of Reclamation

(extrapolando)

2. Por efecto de las carga diferentes:

Ho = He ;

k 1 = 1

3. Por efecto del Talud del parametro de aguas arriba:

vertical: k 2 = 1

4. Por efecto de interferencia del lavadero aguas arriba:

(P + Ho)/Ho = 2.65

del grafico: k 3 = 1

5. Efectos de sumergecia:

Hd/Ho = 1

k 4 = 1

de donde: c = 3.820

Reemplazando en la formula:

Q = 159.123 m3/s

CUANDO LA COMPUERTA DE LIMPIA SE ENCUENTRA ABIERTA

Debe cumplir:

Qmax = Q(aliviad) + Q(limpia)

PARA EL ALIVIADERO

Ho = 1.21 m (Asumido)

1. Tomando en cuenta la profundidad de llegada:

del cual: P/Ho = 1.655

Co = 3.88

2. Por efecto de las carga diferentes:

Ho = He ;

k 1 = 1

3. Por efecto del Talud del parametro de aguas arriba:

vertical: k 2 = 1

4. Por efecto de interferencia del lavadero aguas arriba:

(P + Ho)/Ho = 2.65

del grafico: k 3 = 1

5. Efectos de sumergecia:

Hd/Ho = 1

k 4 = 1

de donde: c = 3.880

Reemplazando en la formula:

Q = 161.623 m3/s

PARA LA LIMPIA

La carga será Ho = P + Ho = 3.21 m P = 0

1. Tomando en cuenta la profundidad de llegada:

del cual: P/Ho = 0.000

Co = 3.088

2. Por efecto de las carga diferentes:

Ho = He ;

k 1 = 1

3. Por efecto del Talud del parametro de aguas arriba:

vertical: k 2 = 1

4. Por efecto de interferencia del lavadero aguas arriba:

(P + Ho)/Ho = 1.00

del grafico: k 3 = 0.77

5. Efectos de sumergecia:

Hd/Ho = 1

k 4 = 1

de donde: c = 2.378

Reemplazando en la formula:

Q = 8.706 m3/s

Qmax = Qaliv + Qlimp = 170.328 m3/s

Entonces la altura de los muros de encauzamiento será:

Hmuro = P + Ho(crít) + hl(0.20) = 3.41 = 2.7 m

DISEÑO DEL COLCHON DISIPADOR

DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

DATOS VALOR

Qmax 15.66 m3/s

P 2.00 m

Ho 1.21 m

L 15.00 m

Le 57.01 m

Yn 0.832 m

Se sabe que:

q = Q / L = 1.044 m3/s/m Aguas arriba del aliviadero

v = q/(P+Ho) = 0.325 m/s

hv = Vo^2/(2*g) = 0.005 m

Por lo tanto:

h = Ho - hv = 1.203 m

Aplicando la ecuacion de energía entre seccion (0) y (1):

E0 = E1

z + P + Ho = Y1 + V1^2/(2*g) + hf 0-1 ………..1 hf0-1 = k*V1^2/(2*g)…....2

Reemplazando:

h0-1 = 0.1*V1^2/(2*9.81) = 0.005 V1^2 m

V1 = Q/(L*Y1) = 0.275 / Y1

h0-1 = 0.000 / Y1^2

en (1):

z = Y1 + 0.004 / Y1^2 - 3.21 ……………(a)

* Aplicando el tirante conjugado, entre (1) y (2):

donde: Y2 = -Y1/2 + [Y1^2/4 + 2*Y1*V1^2/g]^(0.5)

Por lo tanto: Y2 = Z + Yn

z = - Y1/2 + [ Y1^2/4 + 0.015 / Y1]^2 - 0.8320 ……………(b)

Igualando (a) y (b):

2.377 = 0.004 / Y1^2 -[Y1^2/4 + 0.015 / Y1]^0.5 + 3/2*Y1

Tanteando valores en la ecuación: Y1 = 0.173 m

2.377 = 0.090

Por lo tanto reemplazando en (a) se tiene:

z = -2.894 m

q = 0.275 m

V1 = 1.588 m

F1 = 1.219

El tirante conjugado será por seguridad:

Y2'= (110%)*Y2

Y2'= 1.10*Y2

De acuerdo a la fig. del BUREAU OF RECLAMATION.

L1/Y2 = 5.67 ………….….(1)

Como: Y2 = Yn + z = -2.06 m

Y2'= -2.27 m

Reemplazando en (1):

L1 = -12.87 m

CALCULO DE LA LONGITUD DE LA POSA:

Presentamos varios metodos:

SEGÚN VILLASEÑOR:

4.5*(Y2-Y1)< L < 7*(Y2-Y1)

Donde:

L = -14.04 m

SEGÚN BUREAU OF RECLAMATION:

L = -9.07 m

Tomando el promedio:

Lr = -11.56 m

Tomando el promedio:

Lr = -11.60 m

-11.60 m

6.0425Ls = 5*H0 =

e = = 0.90

Co

Co

Cn

ESCOLLERA

e = = 0.90

Co

Co

Cn

ESCOLLERA

DEFINICION DEL PERFIL DE CREAGERDATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

DATOS VALOR

Ho 1.21 m

h 1.203 m

hv 0.20 m

P 2.00 m

De acuerdo a la siguiente expresion:

Y/Ho = -k*(X/Ho)^n

X,Y = Son las coordenadas del perfil de creager

Ho = Carga neta sobre la cresta

k, n = Parametros

Recurriendo a las tablas del Bureau of reclamation. (pag 304 fig 187)

De: hv / Ho = 0.1655

Se Obtiene:

k = 0.5075 n = 1.765

Del mismo modo en la fig() se tiene el esquema:

R1 = 0.5*Ho = 0.604 m

R2 = 0.2*Ho = 0.242 m

Yc = 0.127*Ho = 0.153 m

Xc = 0.284*Ho = 0.343 m

Reemplazando en la ecuacion general:

Y = -0.301 X^n

Y tabulando: X Y

0.10 -0.0052

0.20 -0.0176

0.30 -0.0359

0.40 -0.0597

0.50 -0.0885

0.60 -0.1220

0.70 -0.1602

0.80 -0.2028

0.90 -0.2496

1.00 -0.3006

1.10 -0.3557

1.20 -0.4147

1.30 -0.4777

1.40 -0.5444

1.50 -0.6149

1.60 -0.6891

1.70 -0.7669

1.80 -0.8484

a

bc

d

R1-R2

R1

a

a

R2

R2

Talud Vertical

1.90 -0.9333

2.00 -1.0217

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00

-1 .2000

-1.0000

-0.8000

-0.6000

-0.4000

-0.2000

0.0000

Perfil Creager

Colu...

GEOMETRIA DEL BARRAJE

DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

Siguiendo las recomendaciones por KROCHIN:

El barraje, tenga las seguridad entre solicitaciones, como el volteo, deslizamiento

y el efecto de la subpresion que se produce debajo del mismo se considera.

DATOS VALOR

Qmax 15.66 m3/s

Cota Tramo (0) 4310.00

Cota Tramo (2) 4308.00

L 15.00 m

Le 57.01 m

Yn 0.832 m

Lr -11.60 m

Xc 0.34 m

Ho 1.21 m

Y1 0.17 m

Y2 0.60 m

P 2.00 m

EL ESPESOR: e > 0.30 m

Y de acuerdo a TARBIMOVICH: e = 0.20*q^0.5*h^0.25

Donde: e= Espesor

q = Q/L

h = Cota Barraje(0) - Cota Final (2)

h = 2.000

e = 0.24 m

Por seguridad Multiplico por un Factor comprendido entre: 1.1 - 1.35

e = 0.33 m

tomamos e = 0.35 m

DENTELLONES: Se recomienda que los valores debes ser:

Y1 = ( 1.00 a 1.50 ) * h

Y2 = 0.3 * h (pero nunca menor de 1.00m)

Reemplazando:

Y1 = 2.50 m

Y2 = 0.60 m

Se adopta Y2 = 1.00 m

DISEÑO DEL ESPESOR DEL SOLADO

CONTROL DE FILTRACION:

Según LANE: Lf = 1/3*SLh + SLv

Según BLIGH: Lf = C*H

Donde :

Lf = Longitud de recorrido de la filtracion

H = Carga Hidraulica efectiva, que produce filtracion

C = Coeficiente que relaciona la carga compensada

Lv = 1.70 m

Lh = 0.60*2+17.37-(0.60-0.37)= -10.66 m

Reemplazando:

Lf = -1.852 m

H = 3.036 m

C = Lf / H = -0.610 m

El valor de la SubPresion se estima por:

Sx = b*c' * (Hx - Lx/L * H) *Wa

Con:

b = Ancho de la seccion del canal

c'= Factor de Subpersion que depende de la porosidad del material ( c'= 0.50 )

Sx = Subpresion a una distancia x (Kg/cm2)

Hx = Carga hidraulica en el punto x. = H + H'

Lx = longitud compensada hasta el punto x (m)

Wa = Peso volumetrico del agua

H' = Desnivel entre el agua debajo de la cortina y el punto que se está estudiando

La Subpresion es el punto mas critico, donde se produce el tirante minimo es en "Y1"

segun la figura adjunta:

Calculo para diferentes puntos:

H = Ho - Y1 = 1.035 m

Hx = Ho + H'

Lx = 1/3*SLhx + SLvx

H/L = ?

Subpresiones en kg/cm2: ###

El espesor de la losa:

Esta dado por:

e = 4/3*[( Sx - Hi * Wa )/Wm]

Con:

Wm = Peso Volumetrico del concreto.

Hi = Tirante de agua en la seccion considerada

Para la zona de "Y1":

e = 0.582 m

Para la zona de "Y1":

e = 0.902 m

e = 0.95 m

e = 0.35

e = = 0.90

Co

Co

Cn

ESCOLLERA

0.95 m e = = 0.90

Co

Co

Cn

ESCOLLERA

DISEÑO DEL ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERRA

DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

DATOS VALOR

Qmax 15.66 m3/s

L 15.00 m

P 2.00 m

Yn 0.832 m

Una vez que se termina el colchon disipador, es importante hacer una proteccion adecuada

para contrarrestrar la erosion al pie de esta.

Esta longitud esta dado por la formula de BLIGH:

Lt = 0.67*C*(Db * q ) ^0.5 - Lc

Donde:

Lt = Longitud total de la escollera

C = Coeficiente de Bligh

Db = altura comprendido entre la cota de la cresta y de la cota de extremo aguas abajo

q = Caudal por metro lineal

Lc = 0.60*C*d

d = Db - Yn

Reemplazando de acuerdo a los datos:

C = 6.00 (Arena - grava mezclados y arcillas)

q = 1.044 m3/s/m

Lc = 4.20 m

Lt = 1.60 m

TOMAMOS

Lt = 1.70 m

proteccion o escollera

1.70 m

CAPACIDAD DE LA COMPUERTA DE CAPTACION

DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

DATOS VALOR

Qdiseño 3.000 m3/s

L 59.00 m

P 2.30 m

Ho 1.21 m

El diseño de la ventana de captacion tiene la finalidad de dejar pasar el fluido

para un caudal de diseño.

Qderivacion = 1.15*Qdiseño

Qderiv = 3.450 m3/s

CALCULO DE LA VENTANA DE CAPTACION

a

Lv

Por la formula de Manning

datos para la ventana: asumido:Q = 3.450 m3/s a = 0.8S = 0.001 Lv = 1.3n = 0.015A = 1.04P = Lv + 2a = 2.9

Q * n / (S^0,5) = A * (R^2/3) = [A^5/3] / [P^2/3]=[(b*Yn)^5/3] / [(b+2Yn)^2/3]

1.6365 = 0.5250

Por lo tanto las dimensiones de la ventana de captacion es:

1

1.35

Lv x a =

𝑄= 1𝑛𝐴𝑅2/3𝑆1/2

COMPROBANDO LOS DATOS EN EL PROGRAMA HCANALES

CORRECION POR EFECTO DE LOS BARROTES

LT = C1+C2+Lv

Donde :

C1 = N*e N: numero de barrotes

e: espesor de marrotes min: 5/8"

C2 = (1-Ed)Lv Ed: Grado de eficiencia de funcionamiento = 87% aprox

Lv: longitud neta de ventana

calculando :

eb = 0.15 m

N = Lv/eb - 1 N = 8

C1 = 0.1272

C2 = 0.1755

POR TANTO :

LT = 1.65 m

DEFINIENDO EL AREA DE VENTANA

At = Lt*a

At = 1.65 m2

a = 1.00 m

Concluido que la compuerta de capatacion sera:

1.00 m

0.20 m

Co

Cc

C1

1.70 m

POR LO TANTO P = 2.00 m

0.20 m

Co

Cc

C1

CAPACIDAD DE LAS COMPUERTA DE LIMPIA

DATOS NECESARIOS PARA EL CALCULO

DATOS VALOR

Qmax 15.66 m3/s

Qdiseño 3.00 m3/s

L 15.00 m

P 2.00 m

Ho 1.21 m

La compuerta de limpia debe estar diseñado, para evacuar los sedimentos que se

acumulan a espaldas del barraje, y debe tener una capacidad:

Qlimpia = 2*Qcapt = Qmedio = 1.0 a 2.0 m3/s

La velocidad de arrastre de los solidos depositados es:

Vc = 1.5*C*d^0.5

Donde:

C = Coef en funcion del tipo de material

C = 3.8 Para arena y grava

d = 10'' Diametro del grano mayor

Vc = 2.87 m/s (La velocidad varia 1.5 - 3.0 m/s)

El ancho del canal se obtiene de:

q = Vc^3/g = 2.417 m3/s/m (esta dentro de lo permisible 2.0 - 4.0)

B = Q/q

Verificando:

B = 1.50 m ancho: B/10 B: longitud del barraje

Q = 3.62 m3/s (esta dentro de lo permisible 1.0 - 2.0)

Lo desarrollado cumple con las condiciones

Aplicamos la relacion, cuando trabaja a descarga libre.

Para la maxima carga: Qo = Cd*A*(2*g*H)^0.5

Cd = 0.60

A = 1.50*a

H = (H + P) - a/2

Reemplazando y tabulando:

a = 0.68 m

3.62 = 0.6*1.5*a*[2*9.81*{(P+Ho)-a/2}]^0.5

3.62 = 4.59

Para carga ( H = P ): Cuando alcanza a P = 2.00 m

Qo = 0.6*0.8*a*[2*9.81*(P-a/2)]^0.5

Qo = 1.86

Como: Qcapt = 3.00 m3/s

Sumando caudales:

4.86 < 3.62 m3/s

Concluimos que la compuerta de limpia será:

1.50 X 0.70

0.70 m.

1.50 m. ###