Trabajo Final

Trabajo Finaldiciembre 92014Alumnos: Caballero Beltrn Daniel AntonioRivero Carbajal Fred LuisCalle Elescano Carmen AbigailEstructuras Hidrulicas I

I. Generalidades

Las estructuras hidrulicas son piezas importantes en el desarrollo de un pas principalmente para con la agricultura, ya que estas estructuras son las que ayudan al traslado, captacin y derivacin de lquidos, principalmente agua. Gracias a estos podemos obtener agua en lugares donde es escasa y en este caso en una zona rida. Nuestro siguiente trabajo final, trata de obtener la practica suficiente para el diseo, trazo y revisin de obras hidrulicas en una zona del Per.

II. Ubicacin

Nuestra zona de estudio est ubicada en el departamento de junin, en el Distrito de Huancayo y entre los pueblos de Cochas grande y Cochas pequea.

El Rio shullcas, que nace en el nevado Huaytapallana, y desemboca en el rio Mantaro, en la ciudad de Huancayo. Es el rio en estudio.

III. Rio Shullcas

El rio shullcas es uno de los ms importantes en el departamento de Huancayo, este rio tiene un caudal mximo de avenida de 200 m3/s (record de estudio) y un caudal de estiaje mnimo de 2.8 m3/s. el caudal de estudio sera el caudal medio que es de 10 m3/segundo. Estos datos fueron sacados de las hidrgrafas de lluvia de la cuenca.

Figure 1 Hidrograma de la cuenca del rio ShullcasLa pendiente del rio es de 0.002 y esta se obtuvo del mapa de pendientes de la cuenca del rio Shullcas, tambin de este mapa se obtuvo el ancho del rio que es 30 metros y su coeficiente de manning que es 0.025, este ltimo tambin comprobado por tabla.

Figure 2 Mapa de Pendientes

IV. Canal Principal de Derivacin

El canal de derivacin principal, es un canal; mayormente de perfil rectangular, que deriva el agua del rio Shullcas a las pampas de los pueblos cochas grande y chico. La bocatoma ubicada en una curva, y el ltimo tramo en las pampas, fueron diseadas mas no construidas, ya que es un proyecto que se encuentra en la etapa de estudio.

La longitud aproximada del canal es de 5 km, que recorre todo la pampa y su principal objetivo es la agricultura en las zonas alto andinas del distrito de Huancayo.

A continuacin mostramos las curvas de nivel y el trazo del canal principal del proyecto:

V. Estructuras hidrulicas

1. Bocatoma1.1. Determinar el ancho estable o de encauzamientoa) Altunin

b) Blench

c) Petit

Obtenemos el promedio de estos tres mtodos:

Comprobando con el nmero de Freud:

1.2. Ubicacin:

1.3. Ventana de Captacin:

1.3.1. Vertedero sumergido y adems construcciones por los barrotes

Numero de barrotes: Se asume la separacin = 0.2 m Numero de barrotes (N)

1.3.2. Longitud total de la ventana

1.4. Angulo de inclinacin de la ventana

1.5. Segundo vertedero

Entonces:

1.6. Diseo del Desrripiador

Por Bernoulli:

1.6.1. Ancho del desrripiador

Energa en 0

a) Por continuidad:

1.6.2. Longitud de resalto: Pavloski

1.7. Calculo de la longitud de transicin

1.8. Ancho de la transicin

x2Lt tag(alfa)b2(R-R2-X2)bxParabola normal

01.1271.302.43

0.51.1271.30.0872.34

11.1271.30.0354

xb(R-R2-(lt-x))bxParabola invertida

1.51.30.3541.65

21.30.2921.59

2.51.301.3

1.9. Perfil de Transicin

Tirante constante Y=Y1=Y2=Y3 rea: Velocidad: Carga de velocidad: Cotax=CotaM-(Zx+T)

Entonces:

xbxYxAxVxVx/2gZxZx+yCotax

02.491.5673.810.742.74E-020.0031.573594.997

0.52.341.5673.670.762.94E-020.0041.5713594.996

12.081.5673.260.863.77E-020.0051.5723594.995

1.51.651.5672.581.085.94E-020.0061.5733594.994

01.591.5672.491.126.39E-020.0071.5743594.993

2.51.31.5672.451.146.62E-020.0081.5753594.992

1.10. Regulacin de Crecientes

a) Caudal en Ce:

b) Cota cresta de barraje

c) Cota aguas mximas

d) En la ventana

e) En la compuerta

f) Tirante Normal del Canal

1.11. Canal de limpia

a) Velocidad requerida para arrastre

b) Ancho de Canal de Limpia

c) Pendiente que genera la Velocidad

1.12. Poza de Disipacin

a) Calculo de H

b) Asumir valores de:

c) Primera iteracin Z= 3.175m q= 0.389m3/seg Y1= 0.0523m

2. Desarenador2.1. DISEO DE DESARENADORDatos:Q canal= 2.8 m3/s2.2. Dimetro de las partculas a sedimentar.D= 0.5mm, debido a que es agua de riego2.3. Calculo de la velocidad del flujo V en el tanque: 0.2-0.6 m/s. = a*daD(mm)

510.1

440.1-1

361

Siendo:

= 44*0.5 =0.311 m/s2.4. Calculo de la velocidad de cada W( en aguas tranquilas).

a. Arkhengelski( tabla):

D= 0.5 mm W= 0.054 m/s

b. Sellerio:W= 0.052 m/s

c. Formula de owens:w = k*[d*(s 1)] ^0.5Dnde: s = 1.65 gr./cm3 k = Constante que vara de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos se tomar un valor ubicado entre 9.35 y 1.28 k = 8.25 Luego: w = 8.25*[0.0005*(2.43 1)] ^0.5 w = 2.2 m/s.d. Sundry:

w= 0.0655 m/s

e. Scotti- Foglieni:w = 3.8*d^0.5 + 8.3*d w = 3.8*0.0005^0.5+ 8.3*(0.0005) w = 0.089 m/s

w prom= 0.068 m/s

2.5. Calculo de las dimensiones del tanque:

Ancho del desarenador Q = (b*h)* b = Q/ (h* ) b = 2.8/ (1*0.311)b = 9m Longitud del desarenador L = (h* )/ w L = (1*0.311)/ 0.068L = 4.57 m L = 5 m Tiempo de sedimentacin t = h/wt = 1/ 0.068 t = 14.7 s t = 15 s

Volumen de agua conducido en ese tiempoV = Q*t V = 2.8*15 V = 42 m3 Verificando la capacidad del tanqueV = b*h*L V = 5*1*9 V = 45 m3Se verifica que VTANQUE > VAGUA

2.5. Calculo de la transicinPara el diseo de la transicin se puede utilizar la frmula de Hind: Lt = (T1 T2)/ [2*tg (22.5)] Donde: Lt = Longitud de la transicin T1 = Espejo de agua del desarenador = b = 8.8 m T2= Espejo de agua en el canal = 2.8 m

Luego:Lt = (9 3)/ [2*(tg 22.5)] Lt = 7.24 Lt = 7.2m

2.6. Clculo de la longitud del vertedero al final del tanque (Lv):Lv = Q/ (C*h^1.5 V mx. = 1 m/s ) Dnde: H mx. = 0.25 mLuego: Lv = 2.8/ (1.84*0.25^1.5)Lv = 12.17 m 12 m

2.7. Clculo del ngulo central y el radio R con que se traza la longitud del vertedero.

Clculo de Si: 2 --- 360 LV --- R = (180*LV)/ (*) (1)

Adems: Cos = (R b)/ R R = b/ (1 - Cos ) (2) De (1) y (2): (180*LV)/ (*b) = / (1 Cos ) Reemplazando datos: (180*12.17)/ (*9) = / (1 Cos ) = 133.56

Calculo de R: R = b/ (1 - Cos ) R = 9/ (1 - Cos 133.56) R= 5.33 m

2.8. Clculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del vertedero (L1):

Tomando el tringulo OAB se tiene: En = L1/ R L1 = R*Sen L1 = 5.33*Sen (133.56 ) L1 = 3.86 m

2.9. Clculo de la longitud promedio (L)L = (L + L1)/ 2 L = (12 + 3.86 ) /2 L = 7.93 8 m

2.10. Clculo de la longitud total del tanque desarenador (LT )LT = Lt + L + L Dnde: LT = Longitud total Lt = Longitud de la transicin de entrada L = Longitud del tanque Lv = Longitud promedio por efecto de la curvatura del vertederoLuego: LT = 7.2 m + 5 m + 7.93 mLT= 20.13 m

2.11. Clculos complementarios

a. Calculo de la cada del fondo:z = L*SDonde:z = Diferencia de cotas del fondo del desarenador L = LT Lt =20.13 7.2 = 12 .9m = 13mS = Pendiente del fondo del desarenador (2%) Luego: z = 13*0.02 z = 0.26 0.3mb. Calculo de la profundidad del desarenador frente la compuerta de lavado:H = h + z H = 1 + 0.3 H = 1.3 m3. Sifn DATOS:

Caudal: 2.8 m3/segVelocidades : V1 =1.37 m/segNivel del agua en la estacin A: 70.070 mNivel del agua en la estacin H: 70.042 m

Gradiente de velocidad:hv1= 0.0957 m

Material del tubo a usar: Concreto reforzado

Dimetro del tubo:A = Q/V=2.8 m3/s/1.37 m/s=2.044 m2Di =1.613 m= 64 pulg

Propiedades hidrulicas:

rea del tubo = 2.074 m2Velocidad en el tubo =1.350 m/sGradiente de velocidad en el tubo = 0.0928 mPermetro mojado = 5.014 mRadio hidrulico: R = 0.406 mCoeficiente de rugosidad n= 0.013 Borde libre: Fb normal= 0.6Fb adic = 0.3Borde libre total : Fb total = 0.9 m

Elevacin en la entrada: 70.07 + 0.9 = 70.97

Angulo de doblado: = 12 coseno 12 = 0.97815 Seno 12 = 0.20791

Configuracin hidrulica de la transicin en la entrada:

Abertura vertical Ht = 1.662 mSello hidrulico a la entrada = 1.5 * hv = 1.5 * (0.0928 0.0957) = - 0.004 m usamos 0.076

Elevacin C = 70 .07 -1.662 0.076 = 68.33Elevacin B = 68.33 + 0.368 = 68.70Elevacin D : h1 = 3.133 y1 = 0.65168.33 m 0.651 = 67.68

Elevacin E : Elevacin D + Elevacin E = 67.68 + longitud tubo horizontal * S =67.68 + 18*0.007 = 67.55

Configuracin hidrulica de la transicin en la salida:Ht = 1.662 mElevacin G: 68.7 0.0012*38.13 = 68.65 m Elevacin F = Elevacin G 0.5*Di*0.0254= 68.65 0.813 = 67.84Elevacin H = 68.65 0.0012 * 15 = 68.64Longitud del sifn: 24.27 m

Carga hidrulica disponible: Elev. Nivel agua en A Elev. Nivel agua en H = 70.07 70.01 = 0.0638

Prdidas de carga hidrulica, Hl :

Prdida por entrada, hi =hi = 0.4 * ( 0.093 0.096 ) = - 0.0012

Prdida por friccin, hf =hf = 24.27 * 0.0005 = 0.01128

Prdida por codos, hc = C= 0.25hc = 2* 0.25* (12/90)1/2 * 0.093 = 0.017

Prdida por salida, ho =ho =0.65 * (0.0928 0.0957)=-0.002 H1= 1.1*(-0.0012 + 0.01128 + 0.017 0.002)= 0.028 m

CROQUIS DE SIFN

4. RpidaLa entrada es diseada para proporcionar un control en el canal aguas arriba. Las caractersticas del canal en el punto 1 son:Q = 2.8 m3/s d = 0.8 m S = 0.0012 b = 1.3 m n = 0.015 La elevacin del nivel de energa en el punto 1 es calculado como sigue a continuacin: A1 = 2.2 m2 V1= 1.4 m/s Hv 1 = 0.05 m E1 = 0.9 mLa elevacin del gradiente de energa aguas arriba (punto1) es igual a la elevacin del fondo + E1 1 128.73 + 0.9= 1129.63 m.

Se asume que el tirante crtico ocurrir en el punto 2. Con un caudal de 2.8 m3/s, es razonable elegir un ancho de la seccin de 1.3 m. La elevacin en el punto 2 ser:

Dc = (q2/(b2 *g))1/3 = ((2.82/(1.32 *9.81)1/3 = 0.157m

Ac = 0.45 m2 Vc = 2.19 m/s hvc = 0.24 m Rc = 0.24 m

Para n de manning = 0.015Sc = ((2.19 x 0.015) / 0.242/3 )2 = 0.0072

Ec = 0.157+ 0.24 = 0.397 m

Las prdidas en la transicin de entrada son: 1. Una prdida de convergencia, la cual es asumida como 0.2 veces El cambio en la carga de velocidad entre el comienzo y el fin de la transicin.

2. Una prdida por friccin igual a la pendiente promedio de friccin multiplicada por la longitud de la transicin.

5.1. Prdidas en la entrada

Las prdidas por convergencia son: 0.2 x (0.24 0.05) = 0.038 m

Con una transicin de 3.00 m de longitud la prdida por friccin ser: [(0.0012 + 0.0072)/2)*3.00] = 0.0126 m

Para balancear la energa en el canal aguas arriba, en el fondo de la entrada en el punto 2, tiene que ser: 1129.63 Ec las prdidas en la transicin 1129.63 0.397 0.038 0.01 = 1129.185 m

Una elevacin de 1129.185 m en el punto 2 proveer un control para el flujo hacia La seccin inclinada de la rpida.

Mximo ngulo de deflexin de los muros laterales de la entrada:

Cotang = 3.375 F

F = V/ (( 1 K) g *dcos )1/2

K = 0, cos = 0.99984

F1 = 0.9 / (9.81 x 0.8 x 0.99984)1/2 = 0.3212F2 = 2.19 / (9.81 x 0.157 x 0.99984)1/2= 1.765

El valor medio de F = 2.086

Cotang = 3.375 x 2.086 = 8.08

Con una transicin de 3.00 m de longitud se tendr un ngulo de deflexin de 8.08, lo cual indica que no se producirn ondas en la entrada.

5.2. Determinacin del flujo en la seccin de la rpida

El flujo en El punto 2 es flujo crtico. Las caractersticas de flujo en La seccin de la rpida son calculadas usando la ecuacin de BERNOUILLI para balancear los niveles de la energa en varios puntos de la seccin de la rpida. El flujo uniforme tiene un tirante de 0.15 m con una pendiente de 0.08163, este tirante ser alcanzado en el punto 3, es decir 50 m del punto 2. La energa en El punto 2 ser: E2 = d1 + hv1 + z Z = s x L = 0.08163 x 50 = 4.0815 m E = 0.157 + 0.24 + 4.23 = 4.627 m La energa en el punto 3 ser: E3 = d2 + hv2 hfhf = Prdida por friccin en El tramo considerado = La pendiente media de friccin Del tramo, multiplicado por La longitud L = So x L ; d3 = 0.15 m A3 = 0.14 m2 V3 = 7.00 m/seg hv3 = 2.58 m S3 = 0.08163 So = (0.08163 + 0.0072) /2 = 0.0444 hf = 0.0444 x 50 = 2.22m E3 = 0.15 + 2.58 *2.20 = 4.93 m E3 balancea E2 para propsitos prcticos El flujo entre el punto 3 y El punto 4 es flujo uniforme, con la prdida de elevacin Z igual a la prdida de friccin, hf1 en el tramo considerado.

5.3. El flujo entre los puntos 4 y 6

El tirante normal con una pendiente de 0.10510 es 0.15 m .Este tirante es alcanzado en el punto 5 y los niveles de energa en los puntos 4 y 5 balancean. Entre los puntos 5 y 6 el flujo es uniforme con un tirante de 0.15 m.

5.4. El flujo entre los puntos 6 y 8

Un tirante de 0.18 m es alcanzado en el punto 7 y el flujo entre los puntos 7 y 8 es flujo uniforme, con un tirante de 0.18 m (0.60 os). Para los tirantes de agua que ocurrirn en este tramo inclinado de La rpida, una altura mnima de los muros laterales de 0.61 m (24), proveer el requerimiento de 0.31 m (12) de borde libre.

5.5. Diseo de la trayectoria Las caractersticas de flujo en la trayectoria y la seccin de pendiente empinada son calculadas de la misma manera, como aquellas presentadas para la seccin de la rpida. Use una transicin de 7.62 m de longitud para incrementar el ancho del fondo de 0.91 a 1.52 m. Las caractersticas de flujo al comienzo de la transicin, o sea el punto 8, son: d8= 0.18 m hv8 = 1.79 mA8 = 0.17 m2 R8 = 0.13 mV8 = 5.93 m/s S8 = 0.05241

Al comienzo de la trayectoria, o sea el punto 9, las caractersticas de flujo son: d9= 0.13 m A9 = 0.17 m2 V9 = 2.94 m/s hv9= 1.82m R9 = 0.11 m S9=0.0683 Haga la trayectoria de 3.66 m de longitud. Las coordenadas de puntos de La trayectoria son calculadas con La ecuacin:

En la parte baja de la transicin y la trayectoria, o sea en el punto 10, las caractersticas del flujo sern: d10= 0.09 m A10 = 0.14 m2 V10 = 7.11 m/s R10 = 0.08 m S10 = 0.14107El ngulo Mximo de deflexin en los muros laterales de la transicin, es determinada con la ecuacin: F en El punto 8 con K = 0.0 F8 = 5.93 / (9.81 x 0.18 x 0.99963)1/2 = 4.46 F10 en El punto 10, con El valor de K determinado en La ecuacin: K10 = (0.50 0.052) x 2 x 1.83 0.9992)/3.66 = 0.45 F10 = 7.11 / ((1 0.45) x 9.81 x 0.09 x 0.89441)1/2Fa = (4.46 + 10.78)/2 = 7.62Cotang = 3.375 x 7.62 = 25.7 = 2 15El ngulo de deflexin con una transicin de 7.62 m de longitud ser:

tg = 1/25 = 0.04 = 2 15

El ngulo de deflexin en el muro lateral de la transicin ser satisfactorio.

5.6. Diseo de la poza disipadora

d11 = 0.08 m A11 = 0.12 m2 V 11= 8.21 m/s hv= 3.43 mEl nmero de FROUDE en este punto: F = 8.2/ (9.81 x 0.08)1/2 = 9.3 Resulta que el nmero de FROUDE est dentro del rango en el cual una poza disipadora puede operar efectivamente. El tirante aguas abajo del salto hidrulico d2 es calculado de la ecuacin: d2 = - 0.08/2 + (( 2 x 8.21^2 x 0.08)/9.81 + (0.08^2)/4)^1/2 = 1.01 m Las caractersticas del flujo aguas abajo son: A2 = 1.53 m2 V2 = 0.65 m/s H2 = 0.02 m E2 = 1.00 + 0.02 = 1.02 m La elevacin del nivel de energa aguas abajo del salto hidrulico: 1110.10 + 1.02 = 1111.12 m

Este nivel de energa tiene que ser igualado por la energa en el canal aguas abajo Del salto, con el n de MANNING para El canal mismo, reducido 20 %.5.7. La energa aguas abajo de la estructura: Q = 1.0 m3 /s n = 0.025 x 0.80 = 0.020 b = 1.83 m d = 0.66 m A = 1.85 m2 V = 0.53 m/s h = 0.02 m E = 0.66 + 0.02 = 0.68 m La elevacin mnima del fondo del canal requerido para balancear la energa aguas del salto es: 1,111.12 0.68 0 = 1, 110.44 m

5.8. Diseo de la transicin de salida

Cuando es requerida, es usada una transicin de salida de concreto para llevar El flujo desde la poza disipadora hasta el canal aguas abajo. En este ejemplo de diseo no es usada una transicin de salida. Un umbral final es previsto al trmino de la poza disipadora y la elevacin de la cima del umbral es determinado para proveer tirante de aguas abajo para el salto hidrulico. La energa crtica al final de la poza disipadora es:dc = 0.37 m; hvc= 0.15 m; Ec = 0.53 m

5. Cada sin obstaculos5.5. Transicin de entrada:

Donde ht= 3 metros de cada

5.6. Calculo tirante normal

5.7. Seccin de Control 5.7.1. Tirante crtico:

5.7.2. Por Bernoulli

5.8. Dimensionamiento de la cada

a) Numero de Cada

b) Ld

c) Y0

d) Y1

e) Y2

f) Longitud

g) Longitud Total