BOCATOMADISEO DE BOCATOMA PAMPACANGALLO1,- CARACTERSTICAS HDRULICAS PARA EL DISEOCaudal de captacinQ cap =0.093m3/segCaudal de mximas avenidasQ mx =2.96m3/segPendiente promedio del roS =0.05m/mAncho del rob =3.45mCoeficiente de Manning:n =0.062,- ANLISIS HIDRULICO PARA MAXIMA AVENIDADatos:Caudal mxima avenidaQ mx =2.96m3/seg10100Pendiente del roS =0.05%x1Ancho del rob =3.45mCoeficiente de Manningn =0.060.1Apartir de la frmula de Manning: V=1/n*b^(2/3)*S^(1/2) y Q=V*APara una seccin rectangular de mxima eficiencia se encuentra los datos siguientes:YnAPmRQ0.431.484.310.342.710.441.524.330.352.820.451.554.350.362.910.461.594.370.363.01=< 7m3/sTiranteYn =0.46mAreaA =1.59m2Permetro mojadoPm =4.37mRadio HidralicoR =0.36mVelocidadV =1.87m3/segNmero de FroudeF =0.41borde libre0.253.- DISEO HIDRULICO DE LA ESTRUCTURA DEL BARRAJE FIJO3.1.- Altura de Carga en la Cresta del Barraje:Q=C*L*Ho^(3/2)Donde:Q = Caudal mximoC = Coeficiente de descargaL = Longitud del roHo = Altura de sobre carga mxima sobre la crestaUsando la frmula de REHBOCK, se puede determinar el coeficiente de descarga asumiendo PyHC=(3,27+0,4*H/P)*0,55 y realizamos los siguientes aproximaciones:P(m)Ho(m)CQ(m3/s)0.400.5002.0742.530.400.5052.0762.570.400.5102.0782.610.400.5152.0802.650.400.5202.0822.690.410.5252.0842.730.410.5302.0862.780.410.5352.0882.82Diseo:0.410.5402.0902.86P =0.42m0.410.5452.0922.90C =2.1150.410.5502.0942.95H =0.56m0.410.5552.0962.990.410.5602.0983.030.410.5652.0993.080.430.410.5702.1013.120.420.5752.1033.160.420.5802.1053.210.420.5852.1073.250.420.5902.1093.300.420.5952.1113.340.420.6002.1133.390.420.6052.1153.43De los clculos anteriores se conoce:Yn =0.46mP =0.42mq = Q/L0.86m3/seg/mV =0.88m/segPara distintos valores de "P" se tiene el siguiente cuadro:P(m)V(m/s)hv(m)Ho=Ho-hv1.2000.490.0120.541.1210.510.0130.541.0420.540.0150.540.9630.570.0160.540.8840.600.0180.540.8050.630.0200.540.7260.670.0230.530.6470.710.0260.530.5680.760.0300.530.4890.820.0340.520.4100.890.0400.520.3310.970.0480.510.2521.060.0580.50De los resultados podemos concluir que cuando se incrementa el valor de "P", "Ho" tambinaumenta y la velocidad disminuye, el cual genera mayor curva de remanso por consiguiente el costo tambin ser mayor.Para la condicin ms crtica(compuertas cerradas) se tiene:Y max = P + HoY max =0.98m4,- CALCULO DE LA LONGITUD DEL ALIVIADERO Y DE LA COMPUERTA DE LIMPIASe recomienda:Ac = Ab/10Donde :Ac: Area de la compuertaLc = Lr/11Ab: Area del aliviaderoe = Lc/4Lr: Longitud del ro (ancho)Lc: Longitud de la compuerta mvile : Espesor del pilar.Se tiene:Lr =3.45mLc =0.30me =0.10m0.25 (recomendado)La longitud fija del aliviadero:Lf = Lr-Lc-e=>Lf =3.050mCorreccin de la longitud efectiva:Le=Lf-2*(n*kp+ka)*HoLongitud fija de la crestaLf=3.05mNmero de pilaresn =1.00Coef. de contraccin del pilar (forma del pilar)kp =0.020Coef. de contraccin lateral por el muro (forma del estriboka =0.20Carga de operacinHo =0.56Correccin de la longitud del aliviadero :Le =2.8058Lf=2.50mEspesor del pilare=0.30mDISEO DEL BARRAJE DE ACUERDO A LAS LONGITUDES RECOMENDABLESEl caso ms crtico se presenta cuando ocurre la mxima avenida y la compuerta de limpiase encuentra cerrada, entonces el anlisis se har para los siguientes casos:a) CUANDO LA COMPUERTA DE LIMPIA SE ENCUENTRA CERRADASe tiene los datos:Qmax =2.96m3/segLe =2.50mFundamento:Ho = ?Frmula:Q=C*Le*K1*K2*K3*K4El coeficiente de descarga "C" se hace por tanteos tomando las tablas de USBR:1,- Tomando en cuenta la profundidad de llegada:P/Ho.....Co=2,- Por efecto de cargas diferentesHe/Ho=C/Co........K13,- Por efecto del paramento del talud aguas arribaK24,- Por efecto de interferencia del lavadero de aguas abajo(Hd+d)/Ho=(P+Ho)/Ho.......K35,- Efectos de sumergencia:Hd/Ho.........K4Para el problema se hace una serie de tanteos, hasta aproximarnos al Qmax, variando valores de "Ho"P(m)Ho(m)CQmax0.420.9792.3103.08=< 7 m3/seg0.420.6002.1121.350.420.6602.1431.58Con el cual se calcula:1,- Para:P/Ho =0.638Se tiene:Co =2.3102,- Para:Ho =HeK1 =1.003,-Para talud vertical aguas arriba:K2 =1.004.- Para:(P+Ho)/Ho =1.638Del grfico:K3 =1.005,- Para:Hd/Ho =1.00Del grfico:K4 =1.00Reemplazando valores:C =2.31El caudal ser: Q=,55*C*Le*Ho^1,5Q =1.7m3/sb) CUANDO LA COMPUERTA DE LIMPIA SE ENCUENTRA ABIERTA:Condicin:Q max = Q aliviadero+Q limpiaPARA EL ALIVIADERO:Se asume un Ho menor para cuando est cerrado: Ho=0.979Siguiendo el proceso anterior se calcula:1,- Para:P/Ho =0.43C =2.3102.-K1 =1.003,-K2 =1.004,-(Hd+do)/Ho =1.00K3 =1.005.-Hd/Ho =1.00K4 =1.00Q aliviadero =3.08m3/segPARA LA LIMPIA:La carga ser: Ho=P+HoP= 0Ho=0.979Entonces Ho=0.9791,-P/Ho =Co =3.092,-K1 =1.003,-K2 =1.004.-(Hd+d)/Ho =K3 =1.005,-Hd/Ho =K4 =1.00Q limpia =1.65m3/sQ max =4.72m3/sRESUMEN:La carga ms crtica es cuando la compuerta de limpia esta cerrrada, luego la altura de los muros de encausamiento ser:H muro = P + Ho crtico + h libP =0.42mHo crtico =0.66mh lib =0.2mH muro =1.3m5.- DISEO DEL COLCHN DISIPADORDatos de diseo:Q max =2.96m3/segH =0.62mHo =0.66mYn =0.46mP =0.42mLe =2.50mSe sabe aguas arriba del aliviadero:q=Q/L1.18m3/seg/mVo=1.10m/seghv=0.061mH=Ho-hv0.599mAplicando ecuacin de energa en los puntos (0) y (1):Eo=E1; Z+P+Ho=Y1+V1^2/(2*g)+hf(0-1)Z'=Y1+(1+a)/(2*g)*Q^2/(Le^2*Y1^2)-(P+Ho)......(a)Aplicando el tirante conjugado entre (1) y (2):Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*V1^2*Y1/g)^.5Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*Q^2*Y1/(g*Y1*Le^2)^.5.......(b)Adems: Y2=Z+Yn luego: Z''=Y2-Yn........Z=-Y1/2-Yn+(Y1^2/4+2*Q^2/(g*Le^2*Y1))La ecuac. (b) en y tabulando valores hasta que Z=Z''a =0.1Coef. CoriolisY1(m)Z'Z0.11005.5241.0980.11205.2971.0820.11335.1571.073Aprox.El valor de Z recomendable como mnimo 0,30m, se asume:Z =0.5Se tiene:V1 = q/Y110.45m/segN Froude =9.91Y2 =1.53mY1 =0.11m(El nmero de Froude esta en el rango de 4.5 Lf 'Lf =6.55mLf =0.57mComo Lf > Lf ', entonces las dimensiones son adecuadas por efectos de percolacin.El valor de la supresin se estima por:Sx = b * c' * (Yx-Lx/L*H)*WaDonde:b : ancho de la seccin normalc ' : factor de supresin que depende de la porosidad del material, asumimos c ' = 0.50Sx : supresin a una distancia X (kg/cm2)Yx : carga hidrosttica en el punto X=H+H'Lx : longitud compensada hasta el punto X(m)Wa : peso volumtrico del aguaH ' : desnivel entre el agua debajo de la cortina y el punto que se est estudiandoClculo para diferentes puntos:H = (P+H0)-Y1H =0.97mHx=1.50+H'Lx=1/3*Lhx+LvxH/L= ?Supresin en los puntos crticos:Sx=1*.5*(5.689+H'-H/L*Lx)*1000Puntos:SxHH/LLxB =1,471.881.650.1651.25C =1,429.251.650.1651.77D =905.000.750.1652.67E =862.410.750.1743.02F =409.470.750.2765.19G =1,268.121.450.0834.99H =1,263.281.450.0835.10I =0.00.00--La supresin crtica que puede causar una falla se presenta en el tramo "Y1" y "Y2", que equivale a los puntos E y F.ESPESOR DEL SOLADO:Frmula:e = 4/3*((Sx-Yi*Wa)/Wm)Donde:Wm : peso volumtrico del concretoYi : tirante de agua en la seccin consideradaPara la zona Y1y Y2 :Y1 =0.11Y2 =1.53Wa =1000Wa =1000Wm =2400Wm =2400Sx =862.41Sx =409.47e =0.42me =-0.6242mAsumimose=0.40 m.e =0.30m ,e>=0.308.- DISEO DEL ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA:Se disea para contrarestar la erosin al pie del colchon disipador:Segn BLING:Lt = 0.64*C*(Dd*q)^0.5 - LcDonde:Lt : longitud total de la escolleraC : coeficiente de BlingDd : altura comprendido entre la cota de la cresta y la cota estrema aguas abajo.q : caudal por metro linealLc = 0.60*C*dd = Db-Ynq =1.18Dd =0.42Yn =0.46C =6.00(arena-grava mezclados y arcilla)d =-0.04Lc =-0.14Lt =3.00m9.-CAPACIDAD DE LAS COMPUERTAS DE LIMPIA:*La compuerta de limpia se disea para evacuar los sedimentos que se acumulan a espaldas del barraje, y debetener una capacidad de :Q limpia = 2*Q capt Q medio roPara nuestro caso Q limpia = 10 m3/s por que se tiene dos compuertas de limpia.Q limpia =0.10m3/s*La velocidad de arrastre de los slidos depositados:Vc = 1.5*C*d^0.5donde:C : coef. en funcin del tipo de material, para grava y arenad : dimetro del grano mayor d = 10" (asumido).C =3.80d =0.254mVc =2.87m/segLc =0.30m*El ancho del canal se obtiene:B = Q/q q = Vc^3/gq =0.33m3/seg/mB =0.30mse asume B=0.30Q =0.10m3/seg(verificacin)*La velocidad de limpia debe variar entre 1.5 a 3m/sAplicamos la relacin cuando trabaja a descarga libre:- Para la mxima descarga:Qo = Cd*A*(2*g*H)^.5H = 5.689-a/2A = 1.15*adonde:Cd =0.60Asumir a =0.035mSe tomar:a =0.05mA =0.040m2Nueva:A =0.02m2H =1.06mQ =0.11m3/segV =7.33m/seg- Para la carga de (H=P), cuando alcanza a P:P =0.42mCd =0.60Asumir a =0.04mA =0.05m2H =0.42mQ =0.08m3/segV =1.72m/seg*Clculo de la pendiente del canal de Limpia:Sc=n^2*g^(10/9)/q^(2/9)n =0.015q =0.33m3/seg/mSc =0.0036La pendiente es muy pequeo por tanto sese modificar Sc, e asume la pendiente con el criterio de que el fondo del canal de limpia alcance una altura de 0.40m queque estara a 0.1 m por encima del fondo del barraje por el cual :Sc =0.075*Se calcula el tirante Y1 con la frmula de Manning:n =0.015Clculo de la velocidad:Y1 =0.04mV =2.49m/segA =0.04m2q =0.09m3/seg/mP =1.222mQ =0.10m3/segClculo de Y2:Aguas arriba:Z=P+Ho1.081Aplicando ecuacin de energa en los puntos (0) y (1):Eo=E1; Z+P+Ho=Y1+V1^2/(2*g)+hf(0-1)Z'=Y1+(1+K)/(2*g)*Q^2/(Le^2*Y1^2)-(P+Ho)......(a)Aplicando el tirante conjugado entre (1) y (2):Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*V1^2*Y1/g)^.5Y2=-Y1/2+(Y1^2/4+2*Q^2*Y1/(g*Y1*Le^2)^.5.......(b)Adems: Y2=Z+Yn luego: Z''=Y2-Yn........Z=-Y1/2-Yn+(Y1^2/4+2*Q^2/(g*Le^2*Y1))La ecuac. (b) en y tabulando valores hasta que Z=Z''K=0.1Y1(m)Z'ZYn=0.4600.8396-0.2411.390Pero el valor de Z recomendable debe ser como mnimo 0,30m, se asume Z=0.5Entonces:V1=q/Y1(m/s)0.107Y2=0.002N Froude=0.037Y2=Yro+ ZZ=0.60mYro(m)=-0.598* La longitud del resalto:Segn VILLASEOR:Lr = 4.5*(Y2-Y1)Lr =-4.00m* Segn PAVLOSKILr = 2.5*(1.9*Y2-Y1)Lr =-2.09m*Segn BAKHMETEV-MAZTHELr = 5*(Y2-Y1)Lr =-4.19mSe tomar L=16 m el cual se encuentra dentro de la longitud del colchn disipador:09.- DISEO DE LA VENTANA DE CAPTACION09.1.- VENTANA DE CAPTACION.Datos:Q cap =0.093m3/segY max =0.46mHo =1.08mUmbral =0.60mFrmula:Q = Cd*A*(2*g*h)^0.5donde:Q : Caudal de captacinCd : Coeficiente de descargaA : Area del orificiog : Aceleracin de la gravedadh : Carga sobre el orificioEl caudal de derivacin es igual al caudal de diseo ms un factor de 5-15% por prdidas:Qd = 1.1*Q capQd =0.10m3/segAdems:Cd = Cv*Cch = Ho - alt.vent - a/2Luego iterando se tiene:Cv =0.99Cc =0.607Clculo para Mxima Avenida:Se disea con:Cd =0.600.600.600.600.60Asumir L (m) =0.450.400.350.300.25Longitud ventanaAsumir a (m) =0.0650.070.0750.080.09Altura ventanaA (m2) =0.030.030.030.020.02Area netah (m) =0.450.450.440.440.44Q (m3/seg) =0.050.050.050.040.04>=0.05 m3/sCv=0.99Cc=0.607Clculo para condicin crtica, nivel de agua a 0.20m sobre la ventana de captacin:Cd =0.6010.6010.6010.6010.601Asumir L (m) =0.450.400.350.300.25Longitud ventanaAsumir a (m) =0.130.1350.140.1450.2Altura ventanaA (m2) =0.060.050.050.040.05Area netah (m) =0.270.270.270.270.30Q (m3/seg) =0.080.070.070.060.07>= 0.05 m3/sSe toma los valores siguientes:Altura ventana captacin0.20mAncho ventana captacin0.25mArea neta vent. Capt.0.05m2LONGITUD DE LA VENTANA:Lt = L+C1+C2Adems:C1 = N*eC2 = (1-Et)*LN = (L-a)/adonde:Lt : Longitud total de la ventanaC1 : Coeficiente por efectos del barroteC2 : Coeficiente por eficiencia de funcionamientoL : Longitud neta de la ventanaEt : Grado de eficiencia del funcionamiento (85% asumido)N : Nmero total de barrotese : Espesor de barrotes, se considera 5/8" = 0.159 m, por ser ms comercial en el mercado locala : Espaciamiento de barrote a barrote = 010 mReeplazando valores se tiene:C1 = (L-0.10)*0.159L =0.25mC2 = 0.15*LC1=0.02C2=0.04Lt =0.30mdos ventanasResumen:Altura ventana captacin0.20mAncho ventana captacin0.30mdos ventanasArea ventana captacin0.06m210.1.- ANALISIS DE LA CRESTA DE INGRESO DE LA VENTANASe sabe que para un punto "P" cualquiera se tiene las siguientes deducciones:X = V*tY = - 1/2*g*t^2Despejando "t" e igualando, se tiene:X^2 = - 2 * V^2 * Y/g ...... (a)Adems:V = Cv * (2*g*H)^0.5 ........ (b)Reemplazando (a) y(b):X^2 = - 4 * Cv^2 * h * Y ..... (c)Esta es la ecuacin que corresponde a la trayectoria del chorro de agua, que hace su ingreso por la ventana, entoncespara efectos del trazado de la cresta, en la ecuac (c) se obvia el coeficiente de velocidad Vc y se calcula a partir de:X^2 = - 4 * h * Y ............... (d)Si se considera para la situacin ms crtica, cuando ocurre la mxima avenida, el orificio funcionar con la mximacarga sobre la ventana, por lo que:h = Ho - alt.vent - a/2h =0.381mLuego se tabula para diferentes valores de X:XY0.0000.500.1641.000.6561.501.4762.002.6252.504.1013.005.9063.508.0384.0010.4994.5013.2874.8515.43511,-PERFIL HIDRAULICO DE LA TOMA(ANTECANAL)E1 = E2+S PDonde:Pd : prdida por derivacinS P = Pd+Pr+PePr : prdida por rejillaPe : prdida por borde de entrada*Prdida por Derivacin:Se sabe que:V = Cu*(2*g*h)^0.5 ....(1)La carga total que produce el derrame es:h = V^2/(Cu^2)*1/(2*g) = 1/Cu^2*V^2/(2*g) ....(2)En la ecuac. (2) la carga derramada se transforma en energa cintica V^2/(2*g) y la carga perdida ser:ho = h1 - h2ho = (1/Cu^2 - 1) * V^2/(2*g)V = Cv * Vtdonde: Vt es la velocidad tericaReemplazando:ho = (1 - Cv) * hpara: Cv=0.954ho = (1 - 0.954^2) * h = 0.09 * h*Prdida por accin de la Rejilla:Pr = Kr*hvKr = b/(e/b)^(4/3)*senqdonde:Kr : coeficiente que depende de la forma de la seccine : espesor de la rejillab : distancia libre entre barrasV : velocidad de llegada de la rejaq : ngulo de inclinacin de las rejasb : coeficiente que vara segn la barra (1.79 para circulares)* Para h(mnimo)* Para h(mximo)h =0.30mh =0.38me =0.02me =0.02mb =0.10mb =0.10mV =1.50m/segV =2.00m/segq =60q =60b =1.79b =1.79Kr =0.154Kr =0.154Pr = Kr*hr0.05mPr = Kr*hr0.06mho =0.03mho =0.03mS P =0.07mS P =0.09m* Para h(mnimo)Cota fondo=2501.50m.s.n.m.Cota superficie de agua antes de la entrada=2502.50m.s.n.m.Cota agua pasada la ventana=2502.43m.s.n.m.* Para h(mximo)Cota fondo=2501.50m.s.n.m.Cota superficie de agua antes de la entrada=2502.58m.s.n.m.Cota agua pasada la ventana=2502.49m.s.n.m.12,- DISEO DE LA COMPUERTA DE ADMISION O DE FONDOSegn Poncelet:Q = C*L*a*(2*g*H)^0.5donde:Q :Caudal de descargaL: Longitud de la compuertaa : Altura de la compuertaH : Carga agua centro orificio- Para determinar el dimensionamiento del orificio de la compuerta se calcular para la carga mnima de funcionamiento:Datos:Cota de fondo=2501.40m.s.n.m.Cota superficie del nivel de agua=2502.43m.s.n.m.Tirante aguas arriba Y1=1.03mC =0.70C =0.70.70.70.70.7Asumir L (m) =4.003.503.203.002.50Asumir a (m) =0.460.530.580.6250.76A (m2) =1.841.861.861.881.90h (m) =0.800.760.740.710.65Q (m3/seg) =5.095.024.944.914.74>= Qcap(10m3/seg)Resumen:Altura compuertaa =0.60mAncho compuertaL =3.50mArea compuertaA =2.10m2Caudal q' pasaQ =5.55m3/seg>= Qcap(10m3/seg)- Cuando se presenta la mxima avenida se tiene:Datos:Cota de fondo=2501.40m.s.n.m.Cota superficie del nivel de agua:=2502.49m.s.n.m.Tirante aguas arriba Y1==1.09mC=0.70C =0.70.70.70.70.7Asumir L (m) =43.53.232.5Asumir a (m) =0.370.430.470.50.61A (m2) =1.481.5051.5041.51.525h (m) =0.9030.8730.8530.8380.783Q (m3/seg) =4.364.364.314.264.18Q>Qcap(10m3/s)Resumen para la condicin ms crtica se tiene:Altura compuertaa =0.60Ancho compuertaL =3.50Area compuertaA =2.10Caudal q' pasaQ =5.78> Qcap(10m3/seg para la mxima avenida)13,- DISEO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA (DESGRAVADOR)Datos:Dimetro de partculas ingresantes:Qd = 0.6*A*(2*g*h)^0.5Para h(mn):Para h(max):q"=4"0.1016q"=4"0.1016Y1 =1.027mY1 =1.088ma =1.4ma =1.4mA = a*a1.96m2A = a*a1.96m2h = Y1-a/20.327mh = Y1-a/20.388mQ =2.979m3/segQ =3.245m3/segLa seccin del canal de limpia ser: S = 0.01 (asumido)Por Manning:Q*n/S^0.5 = A*R^(2/3)Datos:Para condicin de mxima eficiencia hidrulica:S =0.10P =2.42mn =0.015R =0.38mY1 =0.61mQ =10.14m3/segb =1.21mV =11.04m/segA =0.92m2N Froude =0.14sub crtico14.- DISEO DEL VERTEDERO LATERAL EN EL ANTECANALSe disear para la cargamnima, y apartir de ese nivel cuando se presentan descargas mayores, se vierte atravs del vertedero:Qmx que ingresa al antecanal==5.78m3/segQmx que atraviesa por la compuerta de admisin==3.25m3/segQmin que atraviesa por la compuerta de admisin:=2.98m3/segQdiseo=Qmax-antecanal-Amax-compuerta=2.54m3/segAltura de diseo Hd=0.06mLa longitud del vertedero lateral:Q = C*Lv *Hd^(3/2)Longitud de la ventana Lv=475.313Se toma Lv(m)=2.65DISEO DE LA CRESTA VERTEDORA:Datos:Q(m3/s)=2.54P=0.42Hd=0.06P/Hd=6.90Como hv>Hd=0El perfil de aguas abajo ser:k=0.5n=1.872Luego se tabula para diferentes valores de X:Y=-.504*Ho(X/Ho)^1.858, y tabulando se tieneXY0.000.0000.20-0.0160.40-0.0600.60-0.1280.80-0.2201.00-0.3331.20-0.4691.40-0.6261.60-0.8041.80-1.0022.00-1.0022.20-1.4582.31-1.591