OBRAS HIDRAULICAS

OBRAS HIDRAULICAS

DISEO DE OBRAS HIDRULICAS ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVILTEMA: RAPIDAS Y CIDAS APELLIDO Y NOMBRE: OBALDO ANDIA, JUAN IVAN PINEDA MAGINO, EDGAR RAUL PROFESOR: EFRAIN JIMENES VENDEZU

AULA: 106-E

Lima Per

2015

INTRODUCCION

La presente Monografa Tcnica ilustra la aplicacin de estructuras de rpidas en canales. Se basa en informacin desarrollada para el Proyecto:Construccin del Canal Fortaleza. El Canal de Fortaleza se desarrolla en una extensin de 4.35 Km de longitud y tiene una capacidad de conduccin de 300 lt/s. La canalizacin permitir evitar las prdidas por filtracin, que en la acequia existente llegan hasta un 30% del volumen de agua que discurre por ella. Asimismo posibilitar mejorar el riego de las tierras de cultivo que actualmente se encuentran ociosas. La ubicacin poltica del Proyecto corresponde al distrito de Congas, provincia de Ocros, departamento de Ancash. Altitudinalmente la captacin se localiza a 3800 msnm. Los trabajos de campo y elaboracin del expediente se desarrollaron el ao 2000. La comunidad beneficiaria actualmente viene gestionando la aprobacin del mismo ante el CTAR- Ancash. El desarrollo de la Monografa supone la solucin al problema de cadas abruptas mediante rpidas como elementos de enlace entre dos tramos de canal con diferencia de cotas apreciables en longitudes cortas, en donde no es aplicable la ecuacin de Manning. En tal sentido, este trabajo desarrolla slo uno de los mtodos existentes en el diseo hidrulico de rpidas, al que se le ha reforzado mediante el empleo de la hoja de clculo para el procesamiento de datos y la obtencin de los grficos requeridos.

OBJETIVOSPlanteamiento del Problema El canal actual de Fortaleza es una acequia rstica construida sobre un relieve accidentado perteneciente a la cadena montaosa de la Cordillera Negra. La informacin geolgica y los trabajos de reconocimiento de campo demuestran que hasta un 80% del suelo conformante es rocoso (roca dura o compacta, tipo andesita). El trazo se ha desarrollado sobre ese tipo de terreno, procurando sortear su relieve que es muy accidentado y de fuertes pendientes. Un nuevo trazo para corregir la pendiente a todo lo largo del canal implicara un recorrido distinto pero con las mismas caractersticas geolgicas del terreno. Por ello, la decisin tomada fue aprovechar la excavacin ya existente, efectuar un revestimiento de concreto del canal y disear la construccin de un sistema de rpidas para empalmar dos tramos de canal mediante fuertes cadas en donde sea posible disipar la energa y asegurar la vida til como la operacin de las estructuras del canal.Objetivos

Realizar el diseo hidrulico de una rpida. Optimizar el diseo hidrulico para obtener una estructura econmica y funcional. Mantener el trazo y excavacin de una canal, permitiendo la conexin de los tramos en toda su longitud mediante la construccin de rpidas. Proporcionar al Proyectista una fuente de informacin que le sirva de gua para disear eficientemente dicha estructura.

MARCO TEORICO.DESCRIPCIONLas RAPIDAS son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir de: Una transicin de entrada. Un tramo inclinado Un disipador de energa Una transicin de salida.

La Figura N 1 muestra la relacin de las diferentes partes de la estructura.La transicin de entrada Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin, un vertedero o un control notch en la entrada. La entrada usada deber ser simtrica con respecto al eje de la rpida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida.Las prdidas de carga a travs de la entrada podran ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeas que no afecten el resultado final. De otra manera, las prdidas a travs de la entrada deben ser calculadas y usadas en la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crtico ocurre donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crtica, debera calcularse dicha velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energa al inicio del tramo inclinado.El tramo inclinado, con canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energa en el extremo ms bajo. Poza Disipadora o salidas con obstculos (baffled outlets) son usadas como disipadores de energa en este tipo de estructuras. Una transicin de salida es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energa y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tallwater) al disipador de energa, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transicin de salida de concreto y no hay control del flujo despus en el canal, la transicin puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transicin en el sitio de la ua, como se muestra en la Figura N1.El tirante de aguas abajo tambin puede ser provisto por la construccin de un control dentro de la transicin de salida. La prdida de carga en la transicin de salida es despreciable.

CONSIDERACIONES DE DISEO.Coeficiente de Rugosidad de Manning En el clculo de las caractersticas de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de Manning (n) Cuando se calcula la altura de muros en una rpida de concreto, se asume valores de n = 0.014. En el clculo de niveles de energa, valores de n = 0.010

TransicionesLas transiciones en una rpida abierta, deben ser diseadas para prevenir la formacin de ondas. Un cambio brusco de seccin, sea convergente o divergente, puede producir ondas que podran causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el disipador de energa. Para evitar la formacin de ondas, el mximo ngulo de deflexin es calculado como sigue:

COTANG = 3.375 F (1)Lo que significa que la cotangente del ngulo de deflexin de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transicin no debera ser menor que 3.375 veces el nmero de Froude (F). Esta restriccin sobre ngulos de deflexin se aplicara para cada cambio de seccin hecha en la entrada, en el tramo inclinado o en la poza disipadora. Si esta restriccin no controla el ngulo de deflexin, se considera:

El ngulo de la superficie de agua con el eje de la transicin de entrada, puede ser aproximadamente 30.

El mximo ngulo de la superficie de agua con el eje en la transicin de salida puede ser aproximadamente 25.

El numero de Froude esta expresado por: F = donde: d : Tirante de agua normal al piso de la rpida.g : Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2).k : Un factor de aceleracin, determinado abajo:- Con el piso de la transicin en un plano, k = 0- Con el piso de la transicin en una curva parablicaK = (3) : Angulo de la gradiente del piso en el punto considerado.

El ngulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transicin pueden ser calculados y trazados. Limitando este ngulo en una transicin de entrada, se minimiza la posibilidad de separacin y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura. Las transiciones de entrada asimtricas y cambios de alineacin inmediatamente aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque pueden producir ondas cruzadas o flujo transversal que continuar en el tramo inclinado. Tramo inclinado La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, pero las caractersticas de flujo de otras formas de seccin, deben ser consideradas donde la supresin de ondas es una importante parte del diseo. La economa y facilidad de construccin son siempre consideradas en la eleccin de una seccin. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan uas para mantener la estructura dentro de la cimentacin.

PROCEDIMIENTO DE DISEOPASOS1. Seleccionar y disear el tipo de entrada a ser usada.2. Determinar la gradiente de energa en el inicio de la seccin de la rpida.3. Calcular las variables de flujo en la seccin de la rpida.4. Disear la trayectoria y la parte pronunciada de la seccin de la rpida.5. Asumir una elevacin para el piso de la poza disipadora y calcular las caractersticas de flujo aguas arriba del salto hidrulico. Determinar Y2 y el gradiente de energa despus del salto hidrulico.6. Determinar el gradiente de energa en el canal aguas debajo de la estructura y comparar con el gradiente de energa despus del salto hidrulico.7. Puede ser necesario asumir una nueva elevacin del fondo de la poza y recalcular los valores mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energa.8. Revisar para operacin adecuada con capacidades parciales.9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.10. Disear los bloques de la rpida y del piso, y el umbral terminal transicin de salida como se requiera.11. Verificar la posibilidad de la produccin de ondas en la estructura.12. Proporcionar proteccin en el canal aguas abajo, si es requerido.

CadasCuando el terreno natural por el cual debe pasar el canal tiene una pendiente muy fuerte, para evitar velocidades excesivas debern proyectarse tramos de canal con pendiente suave ligados por estructuras llamadas cadas.

La secretaria de recursos hidrulicos recomienda como cada mnima un metro, pero puede haber hasta de 4 y 5 metros.Cuando el terreno presenta pendiente fuerte en una distancia relativamente corta resulta ms conveniente usar una rpida que es una estructura de mayor longitud aunque ambas cumplen la misma funcin que la de disipar energa del agua evitando con esto la erosin y permitir velocidades bajas en el canal lo cual facilita la operacin.Se muestra de manera esquemtica una cada

En la siguiente tabla se dan los valores recomendables para la profundidad (p) y la longitud (L) del colchn amortiguador en funcin del ancho de plantilla (b) y el desnivel (F).F (cm)100150200250300

b = 75P2025303535

L275305335355370

b = 90P2025303540

L320350375400420

b = 100P2025353540

L340375405435450

b = 110P2025354045

L405445490520540

b = 130P2025304040

L410460495525545

b = 140P2025304045

L460500545585610

RAPIDASEn una rpida se pueden distinguir las siguientes partes Seccin de control Rampa Trayectoria Colchn Amortiguador

1. Seccin de control Es la seccin donde se presenta el cambio de pendiente y se caracteriza porque en esta seccin se produce el tirante crtico.2. RampaEs el tramo de canal con pendiente mayor que la crtica presentndose en l un escurrimiento de rgimen sper-critico.3. TrayectoriaEs una curva parablica que liga la rampa con la parte inicial del colchn amortiguador. Se adopta esta forma debido a que es la trayectoria libre seguida por el agua, de esta manera se evita que el agua se separe de la plantilla produciendo vibraciones y erosin.4. Colchn AmortiguadorEs un depsito formado en su parte inicial por un plano inclinado 1.5:1, despus por un fondo plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une mediante un escaln.

El objeto del colchn amortiguador es disipar la energa cintica que trae el agua para evitar la erosin de la estructura.CALCULOS HIDRAULICOS DE UNA RAPIDA Calculo del tirante critico en la seccin de control Calculo de la seccin de la rampa Calculo del perfil de la trayectoria Calculo de la longitud y profundidad del colchn amortiguador

1. Calculo del tirante critico en la seccin de controlPara obtener este tirante mediante la grfica debe calcularse el factor de seccin Z.

2. Calculo de la rampaConsiste en determinar las dimensiones de la seccin, esto se puede hacer aplicando la frmula de Manning, dado que la rampa es la parte que absorbe el desnivel por salvar conocemos su pendiente aproximada.

3. Calculo del perfil de la trayectoriaPara definir el perfil de la trayectoria usaremos un sistema de ejes como se muestra, cuyo origen coincide con el final de la rampa.

La longitud horizontal () dela trayectoria se obtiene con la expresin:

Y pueden obtenerse una serie de puntos para trazar la curva parablica con la expresin:

Siendo en ambas expresiones S y V la pendiente y velocidad correspondiente a la rampa.

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