Bocatoma Mantilhue

Puerto Montt, Marzo de 2009.

ESTUDIO, EXPLOTACIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES EL ARRAYÁN LIMITADA

MEMORIA DE CÁLCULO HIDRÁULICA

PROYECTO CONSTRUCCIÓN BOCATOMA RÍO MANTILHUE

N° P-2061-MEM_HIDRA-001

Preparado por

Claudio Schnettler Cid Ingeniero Civil

U.T.F.S.M.

Nº páginas: 27

REV. FECHA PREPARADO APROBACIÓN OBSERVACIONES

DEPTO REV. CLIENTE

A 23/03/09 AMU/CSC CSC Entrega DGA

P:\2061_MOD. CAUCE MINICENTRAL ARRAYANES\DOCUMENTOS\ENTREGA\REV.C\P-2061-MEM_HIDRA-001.doc

Mañihual 270-Puerta del Sol Fono/Fax (56-65) 263215 Email:[email protected] PUERTO MONTT-CHILE

Sociedad El Arrayán Ltda. Memoria Hidráulica

Nº P-2061-MEM_HIDRA-001 Página 2 de 27

MEMORIA DE CÁLCULO HIDRÁULICA PROYECTO CONSTRUCCIÓN BOCATOMA

RÍO MANTILHUE

ÍNDICE. 1 INTRODUCCIÓN...........................................................................................................3 2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. ...............................................................................3

2.1 Ubicación. .......................................................................................................................... 3 2.2 Metodología. ...................................................................................................................... 4 2.3 Descripción general de las obras....................................................................................... 5

3 ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO MANTILHUE. ................................................................6 3.1 Introducción........................................................................................................................ 6 3.2 Criterios hidráulicos. .......................................................................................................... 6 3.3 Parámetros de cálculo. ...................................................................................................... 6 3.4 Situación sin proyecto (SP)................................................................................................ 9

3.4.1 Resultados..................................................................................................................... 9 3.5 Situación con proyecto (CP). ........................................................................................... 10

3.5.1 Resultados................................................................................................................... 10 4 DISEÑO OBRAS DE CAPTACIÓN. ...........................................................................12

4.1 Barrera frontal. ................................................................................................................. 12 4.1.1 Descripción. ................................................................................................................. 12 4.1.2 Bases del diseño. ........................................................................................................ 13 4.1.3 Verificación hidráulica.................................................................................................. 14

4.2 Caudal ecológico. ............................................................................................................ 14 4.2.1 Descripción. ................................................................................................................. 14 4.2.2 Bases del diseño. ........................................................................................................ 14 4.2.3 Verificación hidráulica.................................................................................................. 15

5 OBRA DE REGULACIÓN...........................................................................................15 5.1 Operación......................................................................................................................... 15 5.2 Curva de embalse............................................................................................................ 16 5.3 Estabilidad de talud-arrastre de sedimentos. .................................................................. 17

6 DISEÑO OBRA DE RESTITUCIÓN............................................................................18 6.1 Descripción. ..................................................................................................................... 18 6.2 Bases del diseño.............................................................................................................. 18 6.3 Verificación hidráulica. ..................................................................................................... 18

7 GOLPE DE ARIETE....................................................................................................19 8 OBRAS DE PROTECCIÓN.........................................................................................21 9 ANÁLISIS SOCAVACIÓN. .........................................................................................22 10 ARRASTRE DE SEDIMENTOS. ............................................................................25 11 REFERENCIAS. .....................................................................................................27




1 INTRODUCCIÓN.

El proyecto “Construcción Bocatoma Río Mantilhue” perteneciente a la sociedad Estudio, Explotación y Administración de Energías Renovables El Arrayán Ltda., se ubica en sector del Asentamiento el Arrayán, en la comuna de Río Bueno, provincia de Valdivia. La empresa tiene el derecho de aprovechamiento no consuntivo, sobre las aguas superficiales y corrientes del río Mantilhue, situación que consta en la resolución DGA Nº 0033 de fecha 30/01/2009. El objetivo del estudio es diseñar las obras de captación adecuadas para conducir a las instalaciones el volumen de agua que permite el funcionamiento de la Minicentral Hidroeléctrica, sin poner en riesgo la infraestructura existente, causar desbordes hacia las propiedades adyacentes y asegurar el escurrimiento del caudal ecológico.

2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.

2.1 Ubicación. La zona de estudio se ubica aproximadamente a 20 Km al norte de la ciudad de Entre Lagos. Las coordenadas UTM de los puntos de captación y restitución, referidas al Datum PSAD56, son las siguientes:

Tabla 2.1: Puntos de captación y restitución.

Punto Norte (m) Este (m) Captación 5503146 714798 Restitución 5503122 714751

Figura 2.1: Ubicación geográfica.

Zona Mini Central




Figura 2.2: Ubicación zona de proyecto.

2.2 Metodología. Para efectuar el diseño hidráulico de las obras de captación de la minicentral, que permitan captar el caudal otorgado, se realiza un análisis hidrológico para la cuenca del río Mantilhue, mediante el cual se determinan los caudales de crecida para distintos períodos de retorno que escurren por el cauce en el punto de control. Luego se analiza el comportamiento hidráulico del cauce en la zona de proyecto, mediante una modelación realizada en dos escenarios, situación con y sin proyecto, de manera de visualizar el eje hidráulico respectivo y verificar el diseño. La modelación se realiza en el programa de análisis de ríos HEC-RAS 4.0, basándose en la información topográfica e hidrológica. El objetivo del proyecto es el diseño de las obras de captación del caudal otorgado desde el río Mantilhue, permitiendo el escurrimiento del caudal ecológico y la regulación del volumen de agua captado.




2.3 Descripción general de las obras. La obra de captación del río Mantilhue corresponde a una barrera frontal ubicada a lo ancho del cauce principal. La barrera opera como un vertedero frontal que permite garantizar una cota de nivel de agua para cualquier caudal del río y posibilitar su ingreso a la tubería de aducción, además permite el paso del caudal de exceso en crecidas. La barrera posee una abertura rectangular con diferentes niveles de umbral para permite el asegurar el paso del caudal ecológico. El agua es captada en el lado derecho del muro a través de la tubería de aducción que conduce el caudal hasta la turbina de la sala de máquinas. En la boca de admisión de la tubería existe una compuerta y un sensor que permite la regulación del caudal de entrada. El sensor consiste en sistema de telemedida digital ubicado delante la cámara de carga. La sonda ultrasónica tiene por objetivo enviar a la sala de control una señal hasta el PLC que controla la turbina. Esta sonda en todo momento entrega la cota de agua que existe en la cámara de carga. Debido a la necesidad de tener un volumen de acumulación para la generación de energía en horas punta y de contar con una obra de regulación para amortiguar los peaks de las crecidas, se modifica la sección del río en una longitud 160 m aguas arriba de la bocatoma y que se constituye en un embalse de carga. La restitución del caudal otorgado se realiza después de pasar por la turbina. El caudal descarga por el canal del difusor aproximadamente a 20 m de la caída de agua. A continuación se presenta el esquema general del sistema de captación.

Figura 2.3: Planta general de obras proyectadas.

Captación

Restitución

Sala de máquinas

Río Mantilhue

Zona Embalse

Caída de agua




3 ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO MANTILHUE.

3.1 Introducción. El objetivo de este estudio es modelar el comportamiento hidráulico del río en la zona de estudio, en condiciones hidrológicas de crecidas para las situaciones sin (SP) y con proyecto (CP), de manera de visualizar el comportamiento del flujo y los efectos de las obras proyectadas. La modelación se realiza en el software de análisis de ríos HEC-RAS 4.0, basado en la información topográfica e hidrológica de caudales, determinados para el río Mantilhue en el estudio hidrológico, y consiste fundamentalmente en el cálculo del eje hidráulico a lo largo del cauce. El presente estudio se realiza de acuerdo a los siguientes criterios y parámetros de entrada. 3.2 Criterios hidráulicos. 1. El escurrimiento será en régimen permanente de lecho fijo no uniforme en

escurrimiento subcrítico. 2. Se considera como condición de borde la altura crítica en la caída de agua, para

establecer la altura de agua inicial aguas abajo del tramo analizado. 3. El eje hidráulico se determinará para el caudal máximo instantáneo con períodos de

retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años. 4. Se divide el lecho en un cauce principal con riberas izquierda y derecha. 5. La rugosidad del cauce “n” se determinará mediante el método de Cowan y

recomendaciones del US Army Corps of Engineers.

3.3 Parámetros de cálculo. Se consideran tres parámetros fundamentales, estos son: rugosidad, caudal de diseño y topografía.

• Rugosidad (n): El método de cálculo de las rugosidades se realizó mediante el método de Cowan. Mediante este procedimiento se estima el valor de “n” a partir del reconocimiento de varios factores que lo afectan. El valor de “n” puede calcularse por:

5m)4n3n2n1n0n(n ⋅++++=




Donde: n0 : valor típico de “n” para un canal recto, uniforme y liso en los materiales naturales

involucrados. n1 : valor que debe agregarse al n0 para corregir el efecto de las rugosidades

superficiales. n2 : coeficiente que considera las variaciones en forma y tamaño de la sección

transversal del canal. n3 : valor para considerar las obstrucciones. n4 : coeficiente que considera la vegetación en el lecho y las condiciones de flujo. m5 : factor de corrección de los efectos por meandros en el canal. Valores típicos de los coeficientes se encuentran en ref.1. Los lechos de los ríos tienen, por lo general, características morfológicas, geométricas, e irregularidades diferentes a las de las riberas, inclusive muchas de éstas sólo constituyen lagunas de inundación cuando ocurren las crecidas, no contribuyendo al escurrimiento normal del río. Debido a esto es necesario diferenciarlas. Aún cuando existe una metodología con expresiones matemáticas definidas para estimar el coeficiente “n”, es importante tener en cuenta que existen en la bibliografía una serie de mediciones in situ del coeficiente de Manning, con lo que se puede comparar lo obtenido numéricamente y validarlo. A continuación se entrega la condición de cada parámetro que permite determinar el coeficiente “n” de lecho y de la ribera.

Tabla 3.1: Rugosidad lecho río.

n Parámetro Condición Valor n0 Material involucrado Grava fina 0.024 n1 Grado de irregularidad Menor 0.005 n2 Variación sección transversal Gradual 0 n3 Estado relativo de las

obstrucciones Insignificante 0

n4 Vegetación Baja 0.005 m5 Grado de efectos por

meandros Menor 1

Total 0.034




Tabla 3.2: Rugosidad riberas río.

n Parámetro Condición Valor n0 Material involucrado Tierra 0.020 n1 Grado de irregularidad Menor 0.005 n2 Variación sección transversal Gradual 0 n3 Estado relativo de las

obstrucciones Menor 0.01

n4 Vegetación Baja 0.025 m5 Grado de efectos por

meandros Menor 1

TOTAL 0.06

• Topografía: La información topográfica utilizada corresponde al Modelo Digital de Elevación generado para el río Mantilhue en la zona de estudio, que cubre la batimetría del fondo del cauce y una faja de ancho medio de aproximadamente 10 m, adyacente al borde de cada ribera. A partir de dicho modelo se generaron los perfiles transversales del cauce. Las características principales del levantamiento topográfico realizado para el desarrollo del estudio hidráulico son: PLANTA:

1. Se presenta un levantamiento taquimétrico del lecho y riberas en un tramo que

abarcó el sector comprendido 195 m aguas arriba de la captación y 40 m aguas abajo de la restitución.

2. La escala de los planos taquimétricos es 1:1000, con curvas de nivel a 0.5 m. PERFILES:

Longitudinales:

1. Perfil longitudinal trazado por el eje del cauce, el que señala y representa cotas de fondo, cotas del eje hidráulico, distancias y pendientes.

Transversales:

1. Se presentan perfiles transversales al cauce, tomados a distancias de 10 m aproximadamente y en sectores característicos.

2. Estos perfiles abarcaron todo el lecho más una franja de ribera no menor de 10 m.




• Caudal de cálculo: Para el desarrollo del estudio es fundamental contar con un modelo hidráulico que permita representar la situación sin proyecto (SP) y con proyecto (CP), para esto un parámetro importante es el caudal de cálculo ingresado al modelo. En el estudio hidrológico se determinaron los caudales máximos instantáneos asociados a distintos períodos de retorno, con los cuales se verifican las dimensiones y la elevación de las obras proyectadas, además permite realizar el análisis de socavaciones máximas locales de las estructuras proyectadas. Los caudales (QMI) se indican en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3: Caudales de cálculo.

Período Retorno (años)

Caudal Máximo Inst

(m3/s) 2 4.06 5 5.83

10 6.99 25 8.50 50 9.56

100 10.39

3.4 Situación sin proyecto (SP). La situación sin proyecto se define como la situación existente, es decir, sin el proyecto de bocatoma. Para la modelación del río en el sector de la captación se trazaron secciones transversales cada 10 metros en base a la topografía realizada sobre una longitud de 220 metros del río Mantilhue.

3.4.1 Resultados. A continuación se presentan los resultados gráficos de la modelación hidráulica del río Mantilhue en el sector de estudio. La tabulación del eje hidráulico se presenta en el Anexo de este informe.




0 50 100 150 200 250116

118

120

122

124

126

Río Mantilhue Plan: Caudales Máximos SPGeom: Río Mantilhue SP

Main Channel Distance (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

-210

-200

-190

-180

-170

-160

-150

-140

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Río Mantil hue M inicentral

Figura 3.1: Eje hidráulico para QMI SP en captación.

3.5 Situación con proyecto (CP). La situación con proyecto se define como la situación donde se incluyen las obras proyectadas en el modelo, que corresponden a la bocatoma de captación conformada por una barrera que opera como vertedero frontal y a la modificación de la sección del río por el embalse. El muro se modeló en el programa mediante una estructura en línea que corta el flujo perpendicularmente, ubicado a 0.5 m de sección transversal 173 y el embalse mediante la modificación de la sección transversal.

3.5.1 Resultados. A continuación se presentan los resultados gráficos de la modelación hidráulica del río Mantilhue en el sector de la captación.




0 50 100 150 200116

118

120

122

124

126

Rio Mantilhue Plan: Caudales Máximos CPGeom: Río Mantilhue CP


Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

-190

-180

-173

.5-1

70

-160

-150

-140

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0


Figura 3.2: Eje hidráulico para QMI CP en captación.

-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5


RS = -173.5 IS

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 3.3: Sección transversal bocatoma para QMI CP.




4 DISEÑO OBRAS DE CAPTACIÓN.

En los puntos siguientes se presenta el diseño y la verificación de las obras mediante los resultados de la modelación hidráulica del río con el software HEC-RAS.

4.1 Barrera frontal.

4.1.1 Descripción. La barrera frontal consiste en un muro de hormigón armado de 7.5 metros de longitud, 1.25 metros de espesor y una altura media de 2.05 m. Se encuentra anclado al lecho rocoso con fierros de construcción de diámetro 16 mm en toda su luz. Su cota de coronamiento corresponde a 121.25 m. Tiene un vertedero con una barrera de madera de pared delgada con diferentes niveles y una tubería de aducción en su costado derecho. Las características de estas unidades son las siguientes:

Vertedero frontal:

Altura barrera: 0.33 m. Ancho: 2.75 m. Espesor: 0.2 m. Cota base: 119.53 m.

Tubería de aducción:

Longitud hasta el salto: 27 m. Diámetro nominal: 30”. Material: Acero Std. Cota radier entrada: 119.48 m.

La tubería de aducción conduce el caudal hasta la turbina. El álabe de la turbina será el elemento que controle el caudal que se ocupe en generar energía eléctrica. Éste sólo abrirá el porcentaje ideal para mantener una cota mínima en la cámara de carga. La abertura del álabe será controlado por el PLC que tendrá la información de la sonda ultrasónica en cámara de carga. Para las distintas aberturas de álabe, se tendrá un flujo de caudal versus la generación eléctrica. El caudal captado por la tubería de aducción corresponderá al otorgado por la DGA y que tiene la siguiente distribución mensual.




Tabla 4.1: Caudales otorgados.

Mes Permanente y continuo (l/s)

Eventual y continuo (l/s)

Enero 99 200 Febrero 52 138 Marzo 82 185 Abril 121 340 Mayo 345 390 Junio 535 690 Julio 580 580 Agosto 470 510 Septiembre 430 270 Octubre 245 175 Noviembre 147 147 Diciembre 143 225

A continuación se presenta el esquema general de la obra de captación.

Figura 4.1: Esquema barrera frontal.

4.1.2 Bases del diseño.

• El dimensionamiento y seguridad de la bocatoma se verifica para crecidas de período de retorno de 100 años.

• El nivel de la cresta de la barrera frontal se diseña para que el caudal máximo

instantáneo de 100 años de período de retorno, determinado en el “Estudio hidrológico”, produzca un área de inundación controlada y debidamente identificada sin poner en riesgo la obra proyectada y la infraestructura existente.

Muro hormigón Vertedero

Tubería de aducción

Chimenea de equilibrio

Muro Ala

Río Mantilhue

Orificio Qeco




• El nivel de aguas en el punto de ubicación de la barrera se determina mediante la

modelación del río en el tramo de influencia del proyecto, el que se estima en aproximadamente 180 m de longitud. Los resultados de la modelación se presentan en el punto 3 de este informe.

• El nivel variable del vertedero de barrera frontal se diseña para permitir la carga

hidráulica requerida en la tubería de aducción y la limpieza de sedimentos.

4.1.3 Verificación hidráulica. La verificación del nivel de aguas para el caudal máximo se determinó mediante la modelación del eje hidráulico del río para la situación con proyecto con el software de análisis de ríos HEC-RAS versión 4.0. Los resultados de la modelación, Figura 3.2, indican que el nivel máximo de la superficie de agua sobre el vertedero es 121.57 m. Estando el coronamiento de la barrera a la cota 121.25, implica que la altura máxima del agua sobre el umbral del vertedero alcanzará 32 cm. El coronamiento del muro ala izquierdo se encuentra a la cota 121.7 m, por lo que se no produce el desborde de las obras proyectadas hacia la ribera izquierda. Se puede apreciar en la Figura 3.3 que para todos los períodos de retorno analizados el nivel de las aguas sobrepasa el coronamiento de la barrera, por lo tanto ésta opera como vertedero dentro de los límites del muro. Por esta razón se hace necesaria la protección de la ribera izquierda frente a los procesos de erosión y socavación. De acuerdo a lo visto en terreno, el lecho es rocoso, lo que es esperable teniendo presente que a menos de 30 m aguas abajo de la zona de captación existe una cascada de 20 m de altura en un corte vertical, cuya existencia es posible sólo si existe un manto rocoso.

4.2 Caudal ecológico.

4.2.1 Descripción. En el vertedero frontal incluye una abertura rectangular en su base de 25 cm de ancho por 5 cm de alto para dejar escurrir el caudal ecológico. La cota umbral del vertedero se regula mediante la colocación de tablones de madera. En la Figura 4.1se puede apreciar un esquema del vertedero.

4.2.2 Bases del diseño.

• El orificio en la base de vertedero se diseña para permitir el paso del caudal ecológico de 30 l/s (Otorgado DGA).




• La carga hidráulica sobre el orificio se considera como la diferencia entre el nivel de umbral del vertedero y el eje del orificio.

4.2.3 Verificación hidráulica. El nivel umbral mínimo del vertedero debe proporcionar la altura de carga hidráulica para que la tubería de aducción trabaje a presión en todo momento. Se instalará un sensor de nivel que permite detener la turbina si el nivel baja de 20 cm sobre la clave de la tubería. Por lo tanto, se considera que este nivel, correspondiente a la cota 120.43 m., como el nivel de carga hidráulica sobre el orificio. El caudal vaciado se puede determinar mediante la siguiente expresión:

hgaCQvac ⋅⋅⋅⋅= 2 Qvac : Caudal de vaciado (m3/s). C : Coeficiente de gasto del orificio. A : Área del orificio (m2). h : Altura de agua a vaciar (m). Considerando la cota base del vertedero en 119.53 m y el nivel de trabajo de la tubería de aducción en la cota 120.43 m. resulta una carga de agua de 1.025 m sobre el orificio. Considerando un coeficiente de gasto de 0.6 y una abertura 5 cm se tiene un caudal vaciado de 0.034 m3/s. Por lo tanto el orificio permite el paso del caudal ecológico mínimo de 30 l/s indicado en la resolución de otorgamiento de los derechos de agua.

5 OBRA DE REGULACIÓN.

En los puntos siguientes se presentan las características de la obra de regulación y/o almacenamiento de agua que se proyecta inmediatamente desde 160 m aguas arriba de la bocatoma. El diseño y la verificación de las obras se incluyen en la modelación del eje hidráulico utilizando el software HEC-RAS.

5.1 Operación. El volumen embalsado se aprovecha como volumen de reserva que permite satisfacer las necesidades de la turbina durante los aumentos bruscos de demanda y como amortiguador de crecidas para mantener una descarga uniforme. La capacidad de regulación se consigue mediante la construcción de la barrera frontal de y de la modificación de la sección del río. El caudal de exceso se evacua mediante el vertedero proyectado.




5.2 Curva de embalse. Para determinar el volumen embalsado se elaboró la curva de capacidad del muro, graficando la altura de agua versus el volumen almacenado. Para esto se estableció el área que determina cada curva de nivel para obtener una curva del área en función de la altura, luego se realizó un ajuste con diversas curvas determinándose que un buen resultado se obtenía con una función cuadrática, la cual se integró para determinar el volumen almacenado en función de la altura. A continuación se presenta el gráfico obtenido y la tabla de resultados.

Tabla 5.1: Volumen embalsado.

Cota (m) Altura (m) Área (m2) Volumen (m3) 119.00 0 0 0 119.25 0.25 32.75 4.09 119.50 0.50 77.12 17.83 119.75 0.75 120.94 42.59 120.00 1.00 2619.82 385.18 120.25 1.25 3404.4 1138.21 120.50 1.50 3771.66 2035.22 120.75 1.75 4071.54 3015.62 121.00 2.00 4351.43 4068.49 121.25 2.25 4667.06 5195.80 121.50 2.50 5081.25 6414.31

Curva del embalse

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Altura (m)

Volu

men

(m3)

Figura 5.1: Curva del embalse.




5.3 Estabilidad de talud-arrastre de sedimentos. La construcción del embalse se realiza mediante la ampliación de la ribera izquierda generando una zona más extensa de inundación al construir la barrera frontal de la bocatoma. La ribera izquierda del río Mantilhue, en la zona de proyecto, corresponde a un borde que se eleva más de 3 m sobre la ribera contraria. Mediante la inspección visual se observó que el terreno bajo la capa vegetal corresponde principalmente a limos y arcillas cementadas y consolidadas que debido a sus características mecánicas poseen buena cohesión y baja infiltración que garantizarían su estabilidad y estanqueidad. La zona de inundación del embalse posee taludes prácticamente verticales debido a las características naturales del terreno con materiales consolidados. La velocidad media de escurrimiento del río es inferior a los 0.2 m/s para T=100 años, por lo que no se produciría erosión de la ribera (Figura 5.2).

-40 -20 0 20 40 60119

120

121

122

123

124

125

126

127

Rio Mantilhue River = Río Mantilhue Reach = Minicentral RS = -100

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

0.0 m/s

0.1 m/s

0.2 m/s

Ground

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 5.2: Velocidad en sección representativa.




6 DISEÑO OBRA DE RESTITUCIÓN.

6.1 Descripción. Se proyecta un canal de hormigón para la descarga de las aguas de restitución. El canal tiene una forma rectangular con las siguientes características:

Canal restitución:

Ancho basal : 0.8 m. Altura : 1 m. Pendiente : 0.5 %. Longitud : 5 m. Rugosidad : 0.013.

El caudal de restitución tiene una baja energía cinética debido a que pasa por los álabes de la turbina, por lo tanto la descarga no produciría problemas de erosión en el cauce. No obstante se considera colocar una protección del talud mediante una malla con shotcrete sobre un terraplén de conglomerado de cantera.

6.2 Bases del diseño.

• El canal se diseña para que la altura de escurrimiento (hn), asociada al caudal otorgado, no supere el 80% de su altura geométrica.

• La altura normal de escurrimiento se determina mediante la fórmula de Manning.

• Caudal de diseño: Corresponde al Q otorgado máximo (1225 l/s).

6.3 Verificación hidráulica. La estimación de la capacidad se realiza mediante el programa H-Canales.

Tabla 6.1: Capacidad de los canales de restitución.

Canal de restitución Relación h escurrimiento

v/s H Canal Capacidad de porteo

(m3/s) h/H=1 1.9

h/H=0.8 1.4 Por lo tanto, el canal es capaz de conducir el caudal de restitución, equivalente al caudal otorgado eventual máximo de 1.23 m3/s.




7 GOLPE DE ARIETE.

Con el objeto de realizar la verificación estructural de la bocatoma y de los bloques de anclaje es necesario calcular las fuerzas ejercidas por la sobrepresión producida por el golpe de ariete. Las ondas de oscilación que se originan en el instante en que se cierra parcial o totalmente el órgano de control de la turbina se llaman golpe de ariete positivo, el cual se caracteriza porque el agua que se encuentra junto a la turbina se detiene y la energía cinética se transforma en presión. El golpe de ariete máximo se produce teóricamente en el momento en que la variación total de la cantidad de movimiento es igual al impulso en la sección más próxima a la turbina. El tiempo T que demora la onda de presión para desplazarse desde el órgano de control hasta la almenara o chimenea de equilibrio y regresar, se determina por la siguiente expresión (ref.7):

sVLT ⋅

=2

Donde: L : Longitud del ducto. Vs : Velocidad de la onda de presión. La velocidad de la onda de presión puede determinarse mediante la siguiente ecuación:

eDK

Vs⋅+

=3.48

9900

Donde: D : Diámetro de la tubería e : Espesor de la tubería. K : 0.5 para acero. Si se considera t como de cierre del órgano de control, se presentan los siguientes casos: t < T → maniobra rápida, no recomendable. t > T → maniobra lenta, recomendable.




Una maniobra lenta causa una sobrepresión real, la cual según la altura, equivale a (ref.7): Alta caída

12

<⋅⋅⋅

B

s

HgVV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

−⋅⋅⋅

⋅+

⋅⋅⋅⋅

=

tVL

tgVVtg

VLhs

s

s 212

1

12

Baja caída

12

>⋅⋅⋅

B

s

HgVV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅⋅

⋅−⋅

⋅⋅⋅⋅

=

BHtgVLtg

VLhs

212

12

Donde: T : Tiempo de cierre. HB : Caída Bruta. V : Velocidad de escurrimiento. Para las características de la conducción se tienen los siguientes resultados: L= 50 m. D= 750 mm. e= 13 mm. A= 0.44 m2. HB= 20 m. Q= 1.2 m3/s. t = 5 seg. T= 0.08 seg. hs = 3 m Por lo que la sobrepresión producida por la detención de la turbina no produciría efectos negativos sobre la tubería y no aumenta la altura de presión sobre la bocatoma ni los machones de anclaje.




8 OBRAS DE PROTECCIÓN.

La construcción de la bocatoma genera un peraltamiento del nivel de agua del cauce respecto de la situación sin proyecto. En la siguiente figura se muestra el perfil transversal en la barrera bocatoma con el nivel de agua para los diferentes períodos de retorno.

-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5


RS = -173.5 IS

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

WS T=50

WS T=25

WS T=10

WS T=5

WS T=2

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 8.1: Nivel de inundación bocatoma.

Se puede apreciar que el nivel de agua se eleva hasta la cota 121.57 m para el caudal T=100 años, es decir 32 cm sobre el nivel de la barrera. Esta situación de rebalse por sobre el nivel de coronamiento de la barrera se produce para el caudal máximo instantáneo en cada período de retorno estudiado, por lo que se debe proteger la ribera izquierda de la bocatoma de la erosión. Se proyecta colocar una protección con malla hexagonal recubierta con shotcrete en la ribera izquierda, sobre un relleno de bolones de 4”. El área que se debe proteger queda limitada por la topografía y el nivel máximo de inundación de la ribera para T=100 años. De esta manera se evita la erosión de la orilla que pudiese socavar el terreno contiguo al muro de la barrera. Además se contempla la construcción de muros de ala para asegurar la estabilidad de los anclajes en la zona de los estribos, aunque éstos serán anclados a terreno rocoso. En la siguiente figura se presenta un esquema de la obra de protección contra la erosión de las riberas de la barrera.

Zona de Protección

Muro Ala




Figura 8.2: Esquema obra de protección.

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc. La disipación de la energía puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generación de resalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad. Como se muestra en la Figura 8.2, aún teniendo presente que el lecho del río es rocoso y que no existe la posibilidad que éste sufra erosión, se considerará la construcción de un colchón disipador aguas abajo del muro. Este colchón estará formado por un piso de enrocado con rocas de TM > 4”.

9 ANÁLISIS SOCAVACIÓN.

La socavación es un fenómeno producido por un desequilibrio localizado entre la tasa a la cual el sedimento es arrastrado por la corriente fuera de una determinada zona del lecho y la tasa de sedimento alimentada hacia ella. Este desequilibrio se genera por la concentración del flujo asociada a la presencia de un obstáculo o estructura implantada en un lecho fluvial. El resultado es una profundización local del lecho, bajo la forma de una fosa o cavidad en el entorno de la estructura, que se desarrolla durante un cierto tiempo hasta que se restituye el equilibrio entre la tasa de entrada y de salida de sedimento a la fosa. El proceso tiende a alcanzar una condición de régimen o de estabilización. Es esta condición la que interesa principalmente cuantificar desde un punto de vista de la

Muro ala

Muro Vertedero

Protección Río Mantilhue

Disipador




ingeniería. El nivel de socavación que caracteriza la condición de régimen puede llegar a afectar la estabilidad de estructuras y por lo tanto, se hace necesario predecirla como parte del diseño. Existe una serie de fórmulas deducidas en forma experimental para estimar la socavación que se produce aguas abajo de una estructura hidráulica, producto del desbalance local en las tasas de transporte que origina la presencia de dicha obra en el lecho. El fenómeno se socavación en barreras vertedoras, es básicamente el de la socavación que se produce al pie de una barrera, donde la napa se sumerge en una masa de agua impactando el lecho y produciendo la remoción del material. Sin embargo, la bocatoma de la mini central hidroeléctrica se fundará sobre un lecho rocoso, que se extiende hasta el salto existente aguas abajo. Por lo tanto, no existe material que pueda ser removido por el agua. (Figura 9.1).

Figura 9.1: Manto rocoso, Sector cascada.




A continuación se ilustra el fenómeno de socavación local al pie de un vertedero (ref.4).

Figura 9.2: Socavación en vertederos.

Otro punto que se debe analizar es la socavación en la obra de protección. Como se mencionó anteriormente la socavación se produce por el arrastre de sedimentos del lecho debido al caudal circulante. Los principales factores que influyen en el transporte de sedimentos su tamaño y la velocidad de escurrimiento, ya que la fuerza hidrodinámica ascensional debe ser mayor que el peso sumergido. Es decir la velocidad debe ser la suficiente como para arrastrar el material del lecho. En la modelación hidráulica del río Mantilhue presentada, se determinó el perfil de velocidades en la sección donde se construirá la obra y lo mismo se presenta en la tabla de resultado del eje hidráulico para cada uno de los perfiles. De acuerdo a los resultados obtenidos, las velocidades en las riberas aledañas a la bocatoma no superan los 0.2 m/s, las que corresponden a velocidades de escurrimiento no erosivas, por lo tanto no existe riego de socavación en estos sectores. No obstante, en el sector de la bocatoma se construirán muros de ala y un revestimiento de ribera con shotcrete según se muestra en la Figura 8.2. A continuación se entrega el perfil de velocidades en el sector de la bocatoma.




-20 -10 0 10 20 30119.0

119.5

120.0

120.5

121.0

121.5

122.0

122.5


RS = -173

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

WS T=100

0.0 m/s

0.2 m/s

0.4 m/s

0.6 m/s

0.8 m/s

1.0 m/s

Ground

Levee

Bank Sta

.06 .034 .06

Figura 9.3: Perfil de velocidad bocatoma.

10 ARRASTRE DE SEDIMENTOS. El inicio de arrastre o de transporte de sedimentos se produce para una condición límite conocida como condición o arrastre crítico, pudiéndosele asociar una velocidad del escurrimiento, un esfuerzo de corte, o bien, una altura o profundidad de agua. El calificativo de incipiente o crítico del transporte de sedimento se utiliza para describir o cuantificar la condición hidráulica asociada al umbral de movimiento de las partículas sólidas, es decir, la condición límite para la cual se inicia el transporte sólido. La capacidad de arrastre de la corriente depende fundamentalmente de la velocidad y de las características físicas de las partículas del cauce (tamaño, forma, densidad). Por lo tanto se puede relacionar la velocidad y el inicio del movimiento de las partículas. En el diagrama simplificado de Hjulström (Figura 10.2) se puede apreciar las velocidades que inician que el movimiento de las partículas en función de su tamaño (ref. 6). En el perfil de velocidades de la zona de la captación (Figura 10.1), para un caudal de crecida de T=2 años, se puede apreciar que se encuentran en la zona de sedimentación para arenas y gravas, aumentando drásticamente aguas abajo de la bocatoma, debido al vertido de la barrera. De esta manera se puede concluir que existe tendencia a la depositación en la barrera para condiciones de crecidas. La limpieza de los sedimentos se realiza mediante la disminución de la cota umbral del vertedero, mediante el alzamiento de los tablones de madera.




0 50 100 150 2000.0

0.5

1.0

1.5

2.0



Vel C

hnl (

m/s

)

Legend

Vel Chnl T=2


Figura 10.1: Perfil de Velocidad QMI CP T=2 años.

Figura 10.2: Diagrama de Hjulström.

Bocatoma




11 REFERENCIAS. 1. Ven Te Chow, “Hidráulica de Canales Abiertos” Ed. McGraw-Hill.

2. Basilio Espíldora, “Elementos de hidrología”.

3. Francisco Domínguez, “Hidráulica”.

4. Manual de Cálculo de Crecidas y Caudales Mínimos en Cuencas Sin Información

Fluviométrica. DGA-1995.

5. Manual de Carreteras Volumen Nº 2 y Nº 3.

6. Marta González del Tánago, “Restauración de Ríos y Riberas” 1998.

7. Ramiro Ortiz Flórez, “Pequeñas Centrales Hidroélectricas”.

Bocatoma Mantilhue

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