TEMA: “MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA … · rÍo boquerÓn en el laboratorio de...

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y

MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

TEMA: “MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA CAPTACIÓN

DEL RÍO BOQUERÓN, PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO-

MONCAYO, EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE LA UCE”

TRABAJO DE GRADUACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN

DEL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL

AUTOR: SÁNCHEZ DEL POZO ERIKA VANESSA

TUTOR: ING. JAYA QUEZADA SALOMÓN ENRIQUE M.Sc.

Quito-22 de marzo

2017

ii

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

iii

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR

iv

APROBACIÓN DE LOS LECTORES

vi

DEDICATORIA

Dedico todo mi esfuerzo y trabajo puesto para la realización de esta tesis a Dios, a mis

padres y a mi hermano. A Dios porque ha estado conmigo a cada paso que doy,

cuidándome y dándome fortaleza para continuar, a mis padres y a mi hermano, quienes a lo

largo de mi vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo

momento. Depositando su entera confianza en cada reto que se me presentaba, sin dudar ni

un solo momento en mi inteligencia y capacidad. Es por ellos que soy lo que soy ahora.

A toda mi familia que es lo mejor y más valioso que Dios me ha dado.

También dedico este proyecto a mi novio, compañero inseparable de cada jornada.

Los amo con mi vida.

Erika Sánchez Del Pozo

vii

AGRADECIMIENTO

Le agradezco a Dios por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste

realidad este sueño anhelado, por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera,

por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de

aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad.

Con un testimonio de eterno agradecimiento por mi formación profesional a la Universidad

Central del Ecuador, a la Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, a la Carrera

de Ingeniería Civil y a sus profesores gracias a los cuales debo gran parte de mi

conocimiento.

De igual manera agradecer a mi profesor de Investigación y de Tesis de Grado, Ing.

Salomón JAYA Quezada por su esfuerzo, por su visión crítica de muchos aspectos

cotidianos de la vida, por su rectitud en su profesión como docente, quien con sus

conocimientos, su experiencia, su paciencia, su guía, sus consejos y su motivación ha

logrado en mí que pueda terminar mis estudios con éxito.

Al Ing. Efrén Ortiz por todo el apoyo brindado en el desarrollo de mi trabajo.

A los docentes y personal del Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas y todos aquellos

que de una u otra manera aportaron para la culminación de mi trabajo.

A mis amigas Kate Grijalva, Kate Fuertes y a todos mis amig@s de la Universidad, quienes

han compartido conmigo todos los sacrificios de esta vida universitaria.

Al decanato de la FICFM, en la persona de la Señora Ingeniera Cecilia Flores Villalba por

el apoyo brindado para la construcción del modelo hidráulico.

Erika Sánchez Del Pozo

viii

CONTENIDO

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL ...................................................................... ii

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ................................................................................................... iii

APROBACIÓN DE LOS LECTORES ........................................................................................... iv

DEDICATORIA ......................................................................................................................... vi

AGRADECIMIENTO ................................................................................................................ vii

CONTENIDO ......................................................................................................................... viii

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. xii

LISTA DE TABLAS ...................................................................................................................xiii

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................... xv

LISTA DE FOTOGRAFÍAS ....................................................................................................... xvii

RESUMEN ............................................................................................................................. xxii

ABSTRACT ........................................................................................................................... xxiii

CAPITULO 1 ............................................................................................................................. 1

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1

1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO MONCAYO ......... 1

1.2 DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA

CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO ............................................................. 4

1.3 OBJETIVO GENERAL DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO............................................. 6

1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO ..................................... 6

1.6 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .................................................................................. 6

1.7 ALCANCE DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO ................................................. 7

CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................. 8

2.1 DESCRIPCIÓN DE UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO .................................................... 8

2.2 CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA TOMA DE FONDO O

CAUCASIANA ............................................................................................................................... 8

2.3 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAPTACIÓN EN RÍOS DE MONTAÑA ........................... 9

2.4 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO .......................... 10

2.5 REJILLA ................................................................................................................................. 11

ix

2.6 GALERÍA ............................................................................................................................... 12

2.7 DESARENADOR .................................................................................................................... 13

2.8 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ..................................................................................... 23

2.9 CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS ........................................................................... 23

2.10 PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS ............................................................................. 24

CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................... 29

3. MODELACIÓN HIDRÁULICA ....................................................................................................... 29

3.1 INTRODUCCIÓN A LA MODELACIÓN HIDRÁULICA .............................................................. 29

3.2 MODELOS FÍSICOS REDUCIDOS ........................................................................................... 29

3.3 VENTAJAS DE LA MODELACIÓN FÍSICA ............................................................................... 29

3.4 ASPECTOS SIGNIFICATIVOS A TOMAR EN CUENTA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN

MODELO HIDRÁULICO ............................................................................................................... 30

3.5 PRINCIPIOS DE SIMILITUD ................................................................................................... 31

3.6 ANÁLISIS DIMENSIONAL ...................................................................................................... 33

3.7 SIMILITUD DE FROUDE ........................................................................................................ 35

3.8 CÁLCULOS REALIZADOS PARA DETERMINAR LAS DIMENSIONES DE LAS ESTRUCTURAS ... 38

3.8.3 CÁLCULO DE LA COMPUERTA DE INGRESO AL CANAL QUE CONECTA LA GALERÍA ........ 44

3.8.4 DISEÑO DEL DESARENADOR ............................................................................................. 48

3.8.5 CÁLCULO DEL VERTEDERO ............................................................................................... 54

CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................... 58

4. PROCESO CONSTRUCTIVO DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL

RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE LA FICFM DE LA UCE ......................... 58

4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO CONSTRUCTIVO ..................................................... 58

4.2 REGISTRO DE LA CONSTRUCCIÓN ....................................................................................... 60

4.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN .............................................................................. 70

4.4 CLASIFICACIÓN Y MODELACIÓN DE LOS SUELOS/SEDIMENTOS PARA LOS ENSAYOS .. 71

4.5 SISTEMAS DE BOMBEO Y DE RECIRCULACIÓN DE LOS CAUDALES IMPLEMENTADOS PARA

ALIMENTAR AL MODELO ........................................................................................................... 74

4.6 VERTEDERO TRIANGULAR Y SU CURVA DE CALIBRACIÓN PARA MEDIR LOS CAUDALES

UTILIZADOS EN LAS DIVERSAS CORRIDAS HIDRÁULICAS DEL MODELO .................................... 74

CAPÍTULO 5 ........................................................................................................................... 76

5. CORRIDAS (PRUEBAS) REALIZADAS EN EL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA

CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN, PARA DISTINTOS CAUDALES DE ANÁLISIS ............................ 76

x

5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 76

5.2 OBTENCIÓN DE CAUDALES DE ANÁLISIS ............................................................................. 76

5.3 RESULTADOS DE LAS DISTINTAS CORRIDAS ........................................................................ 78

CAPÍTULO 6 ......................................................................................................................... 111

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES

ESTRUCTURAS ............................................................................................................................. 111

6.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES

ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q80 ................................................................................. 111


ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q 10 ................................................................................ 115


ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño .......................................................................... 119


ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño Y LOS 6 DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA

GRANULOMETRÍA.................................................................................................................... 121

6.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS HACIA LA REJILLA

PARA: Q 80, Q 10 Y Q diseño ................................................................................................... 122

6.6 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE ................................................................................. 123

CAPÍTULO 7 ......................................................................................................................... 129

7. GUÍA METODOLÓGICA PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS ESTUDIANTILES CON EL MODELO

HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE

INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS ................................................................................................ 129

7.1 TEMA ................................................................................................................................. 129

7.2 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 129

7.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 129

7.3 EQUIPOS Y MATERIALES .............................................................................................. 131

7.4 METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA ........................................... 131

7.5 GRÁFICOS .......................................................................................................................... 136

7.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................. 136

7.7 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 136

7.8 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 136

7.9 AGRADECIMIENTO ............................................................................................................ 136

7.10 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 136

CAPÍTULO 8 ......................................................................................................................... 137

xi

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 137

8.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 137

8.2 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 139

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 140

ANEXOS ............................................................................................................................... 142

xii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA N° 1.1 FASES DEL PROYECTO 2

FIGURA N° 1.2 ESQUEMA GENERAL DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO

BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA 5

FIGURA N° 2.1 PARTES DE UNA TOMA TIROLESA 10

FIGURA N° 2.2 ZONAS DE UN DESARENADOR 15

FIGURA N° 2.3 TIPOS DE TRANSICIONES DE CANALES

RECTANGULARES A TRAPECIALES 17

FIGURA N° 2.4 ESQUEMA DE UN DESARENADOR DE LAVADO

INTERMITENTE 22

FIGURA N° 3.1 ESQUEMA DE LA REJILLA DE FONDO 38

FIGURA N° 3.2 DIMENSIONES DE LA REJILLA 41

FIGURA N° 3.3 PERFIL DE LA SOLERA DE LA GALERÍA 44

FIGURA N° 3.4 ESQUEMA DE UNA COMPUERTA PLANA 45

FIGURA N° 3.5 DIMENSIONES DEL DESARENADOR 53

FIGURA N° 3.6 ESQUEMA DE UN VERTEDERO CREAGER 54

FIGURA N° 3.7 PERFIL DEL VERTEDERO HIDRODINÁMICO CREAGER 57

FIGURA N° 4.1

ESQUEMA GENERAL DE LA TOMA CAUCASIANA DEL

RÍO BOQUERÓN IMPLEMENTADA EN EL

LABORATORIO DE INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS

59

FIGURA N° 4.2 CURVA DE CALIBRACIÓN DEL VERTEDERO

TRIANGULAR Ɵ=60° 75

FIGURA N° 5.1 CURVA DE DURACIÓN GENERAL DEL RÍO

BOQUERÓN 77

xiii

LISTA DE TABLAS

TABLA N°2.1

VELOCIDADES LÍMITE POR DEBAJO DE LAS CUALES

EL AGUA CESA DE ARRASTRAR DIVERSAS

MATERIAS

18

TABLA N°2.2 CLASIFICACIÓN DE SEDIMENTOS POR TAMAÑOS 25

TABLA N°2.3 MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE

SEDIMENTOS 27

TABLA N°3.1 ESCALAS DEL MODELO HIDRÁULICO 37

TABLA N°3.2 CÁLCULOS REALIZADOS PARA LA GALERÍA 43

TABLA N°3.3 VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN W (cm/s) 49

TABLA N°3.4 VALORES PARA DETERMINAR a EN FUNCIÓN DEL

DIÁMETRO 50

TABLA N°3.5 COEFICIENTE PARA EL CÁLCULO DE

DESARENADORES DE BAJA VELOCIDAD 51

TABLA N°4.1 DIÁMETROS CON SU RESPECTIVO COLOR

DISTINTIVO PARA REALIZAR LA MODELACIÓN 73

TABLA N°5.1 CAUDALES ESTABLECIDOS PARA SU RESPECTIVO

ANÁLISIS 77

TABLA N°5.2 DIÁMETROS DE LAS PARTÍCULAS EN ANÁLISIS 78

TABLA N°5.3 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø>2

plg 79

TABLA N°5.4 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2

plg 80

TABLA N°5.5 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8

plg 82


plg 84

TABLA N°5.7 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1

plg 86

TABLA N°5.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 88

xiv

½ plg

TABLA N°5.9 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 80 (5.6 l/s) 89

TABLA N°5.10 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=1 ½

plg 91

TABLA N°5.11 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1

plg 93


plg 95


plg 97


plg 99

TABLA N°5.15 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 10 (14.1

l/s) 100


plg 102


plg 104


plg 106

TABLA N°5.19 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q diseño

(46.9 l/s) 107

TABLA N°5.20 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø > 2

plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2 plg 108

xv

LISTA DE GRÁFICOS

GRÁFICO N° 6.1

CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL

CAUCE DEL RÍO PARA Q 80 111

GRÁFICO N° 6.2 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA

REJILLA PARA Q 80 112

GRÁFICO N° 6.3 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA

SOBRE LA REJILLA PARA Q 80 113

GRÁFICO N° 6.4

CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS

ABAJO DE LA REJILLA PARA Q 80 114

GRÁFICO N° 6.5 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL

CAUCE DEL RÍO PARA Q 10 115


REJILLA PARA Q 10 116

GRÁFICO N° 6.7 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA

SOBRE LA REJILLA PARA Q 10 117

GRÁFICO N° 6.8 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS

ABAJO DE LA REJILLA PARA Q 10 118


REJILLA PARA Q diseño 119

GRÁFICO N° 6.10 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS

ABAJO DE LA REJILLA PARA Q diseño 120

GRÁFICO N° 6.11

CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS

DIFERENTES ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE

DE LA TOMA CAUCASIANA

121

GRÁFICO N° 6.12

CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA

REJILLA 122

GRÁFICO N° 6.13 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD 123

GRÁFICO N° 6.14 FROUDE VS CALADO MEDIDOS AGUAS ARRIBA DE

LA REJILLA 124

xvi

GRÁFICO N° 6.15

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS

PARTÍCULAS (kg) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE

FROUDE

125

GRÁFICO N° 6.16

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS

PARTÍCULAS (%) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE

FROUDE

127

xvii

LISTA DE FOTOGRAFÍAS

FOTOGRAFÍA N°4.1 UBICACIÓN DE LA PLATAFORMA DEL CAUCE

DEL RÍO 60

FOTOGRAFÍA N°4.2 UBICACIÓN DEL DESARENADOR 60

FOTOGRAFÍA N°4.3 CAUCE DEL RÍO Y REJILLA 61

FOTOGRAFÍA N°4.4 CONFORMACIÓN NATURAL DEL RÍO A

ESCALA 61

FOTOGRAFÍA N°4.5 INSTALACIÓN DE LA REJILLA 62

FOTOGRAFÍA N°4.6 CONFORMACIÓN DE LA GALERÍA 62

FOTOGRAFÍA N°4.7 DETALLES COMPUERTA 63

FOTOGRAFÍA N°4.8 COMPUERTA A CONTINUACIÓN DE LA

REJILLA 63

FOTOGRAFÍA N°4.9 CONSTRUCCIÓN DEL CANAL DE

CONDUCCIÓN 64

FOTOGRAFÍA N°4.10 CANAL DE CONDUCCIÓN 64

FOTOGRAFÍA N°4.11 CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN 65

FOTOGRAFÍA N°4.12 CONFORMACIÓN DEL DESARENADOR 65

FOTOGRAFÍA N°4.13 VERIFICACIÓN DE NIVELES Y MEDIDAS;

TRANSICIÓN Y DESARENADOR 66

FOTOGRAFÍA N°4.14 CONFORMACIÓN DE TALUDES DE

CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS 66

FOTOGRAFÍA N°4.15 DETALLES COMPUERTA DE LAVADO 67

FOTOGRAFÍA N°4.16 COMPUERTA AL FINAL DEL DESARENADOR 67

FOTOGRAFÍA N°4.17 CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN 68

FOTOGRAFÍA N°4.18 CANAL DE LAVADO 68

FOTOGRAFÍA N°4.19 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL

VERTEDERO 69

FOTOGRAFÍA N°4.20 VERTEDERO HIDRODINÁMICO 69

FOTOGRAFÍA N°4.21 TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN 70

FOTOGRAFÍA N°4.22 PROCESO DE TAMIZADO DEL MATERIAL DE

ARRASTRE DE FONDO Y DETERMINACIÓN 71

xviii

DE 6 DIÁMETROS REPRESENTATIVOS PARA

REALIZAR LA MODELACIÓN

FOTOGRAFÍA N°4.23 PROCESO DE PINTADO DE LOS SEDIMENTOS,

DE SEIS COLORES DISPUESTOS 72

FOTOGRAFÍA N°5.1 MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS

ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=2 plg 80

FOTOGRAFÍA N°5.2

MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS

ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=0.2

plg

81

FOTOGRAFÍA N°5.3 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA PARA

Q 80 Y ø=0.2 plg 81

FOTOGRAFÍA N°5.4


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/8

plg

82

FOTOGRAFÍA N°5.5 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA

Q 80 Y ø=3/8 plg 83

FOTOGRAFÍA N°5.6 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,

PARA Q 80 Y ø=3/8 plg 83

FOTOGRAFÍA N°5.7



plg

84


Q 80 Y ø=3/4 plg 85



FOTOGRAFÍA N°5.10

MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA

REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg

86


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg 87

xix


PARA Q 80 Y ø=1plg 87

FOTOGRAFÍA N°5.13 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA

REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg 88

FOTOGRAFÍA N°5.14


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1 1

2plg

89

FOTOGRAFÍA N°5.15 DESCRIPCIÓN GENERAL >2 plg 91

FOTOGRAFÍA N°5.16


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 1

2plg

92

FOTOGRAFÍA N°5.17

MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,

PARA Q 10 Y ø=1 1

2plg

92

FOTOGRAFÍA N°5.18

MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA

REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 1

2plg

93


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg 94


PARA Q 10 Y ø=1 plg 94


REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg 95

FOTOGRAFÍA N°5.22



plg

96


Q 10 Y ø=3/4 plg 96

FOTOGRAFÍA N°5.24

MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,

PARA Q 10 Y ø=3/4 plg

97


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/8 98

xx

plg


Q 10 Y ø=3/8 plg 98




Q 10 Y ø=0.2 plg 100


Q diseño Y ø=3/4 plg 102


PARA Q diseño Y ø=3/4 plg 103


REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4 plg 103


Q diseño Y ø=3/8 plg 104


PARA Q diseño Y ø=3/8 plg 105


REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8 plg 105


Q diseño Y ø=0.2 plg 106


Q diseño Y TODOS LOS DIÁMETROS 109

FOTOGRAFÍA N°5.37

MATERIAL QUE SE QUEDÓ SOBRE LA

REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS

DIÁMETROS

109


REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS 110

xxi

DIÁMETROS

FOTOGRAFÍA N°5.39


ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q diseño Y

TODOS LOS DIÁMETROS

110

xxii

RESUMEN

MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN,

PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO-MONCAYO, EN EL LABORATORIO

DE HIDRÁULICA DE LA UCE

Autor: Sánchez Del Pozo Erika Vanessa

Tutor: Jaya Quezada Salomón Enrique M.Sc.

La modelación hidráulica física permitió obtener una estructura que facilitará la enseñanza a los estudiantes

en el diseño de una bocatoma caucasiana y sus estructuras complementarias como: canales, desarenadores,

compuertas, rejillas, disipadores de energía; además, permite la enseñanza de la modelación hidráulica, que

siendo una materia de especialización, se puede capacitar a estudiantes interesados en esta técnica y mostrar

las potencialidades que tiene el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas.

El modelo fue construido con el concepto de Similitud de Froude, utilizado en modelos a escala en donde se

tenga flujos con superficies libres, en este caso la captación del río Boquerón, diseñado para un caudal de 46.9

l/s a escala 1:4 del prototipo.

Los resultados obtenidos del modelo permitirán corregir algunas partes de las estructuras del prototipo que

construirá el Consejo Provincial de Pichincha para el Sistema de Riego Cayambe-Pedro Moncayo, como son:

modificar el radio de curvatura del canal de conducción que une la galería con la transición, implementar un

delantal o plataforma en el cauce del río aguas arriba de la rejilla para una mejor distribución e ingreso del

flujo, mejorar el perfil del canal de llegada a la compuerta para el lavado de los sedimentos del desarenador.

En el funcionamiento del modelo se evidenció que los caudales de estudio fueron captados en su totalidad por

la rejilla, los caudales sólidos fueron captados en una alta proporción, otros se depositaron sobre la misma

rejilla lo que no es conveniente para el buen funcionamiento del proyecto, este es un caso que debería ser

investigado en una alternativa de variación de la inclinación de la rejilla.

PALABRAS CLAVE: MODELACIÓN HIDRÁULICA FÍSICA/ RÍO BOQUERÓN/ SISTEMA DE RIEGO

PEDRO MONCAYO/ CONSEJO PROVINCIAL DE PICHINCHA/ DESARENADOR/ REJILLA DE

FONDO/ GALERÍA/ TRANSICIÓN

xxiii

ABSTRACT

PHYSICAL HYDRAULIC MODELING OF THE CATCHMENT OF RIVER BOQUERÓN, CAYAMBE-

PEDRO MONCAYO IRRIGATION SYSTEM, IN THE HYDRAULIC LABORATORY DE LA UCE

Autor: Sánchez Del Pozo Erika Vanessa

Tutor: Jaya Quezada Salomón Enrique M.Sc.

The physical hydraulic modeling allowed to obtain a structure that will facilitate the teaching to the students in the design

of a Caucasian bocatoma and its complementary structures like: channels, sanders, gates, grids, energy dissipators; In

addition, it allows the teaching of hydraulic modeling, which, being a subject of specialization, can train students

interested in this technique and show the potential the Hydraulic Research Laboratory.

The model was built with the concept of Froude Similarity, used in scale models where there are flows with free surfaces,

in this case the catchment of the river Boquerón, designed for a flow of 46.9 l / s scale 1: 4 of the prototype.

The results obtained from the model will allow to correct some parts of the prototype structures that the Pichincha

Provincial Council will build for the Cayambe-Pedro Moncayo Irrigation System, such as: modification of the radius of

curvature of the conduit Which joins the gallery with the transition, to implement an apron or platform in the river bed

upstream of the grid for a better distribution and entrance of the flow, to improve the profile of the channel of arrival to

the gate for the washing of the sediment of the sandbox .

In the model operation it was evidenced that the study flows were fully captured by the grid, the solid flows were captured

in a high proportion, others were deposited on the same grid which is not suitable for the proper operation of the project,

This is a case that should be investigated in an alternative of variation of the grid inclination.

KEYWORDS: PHYSICAL HYDRAULIC MODELING/ RÍO BOQUERÓN/ PEDRO MONCAYO IRRIGATION

SYSTEM/ PICHINCHA PROVINCIAL COUNCIL / SANDBOX/ BACK GRID/ GALLERY/ TRANSITION

1

CAPITULO 1

1. INTRODUCCIÓN

1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-

PEDRO MONCAYO

El sistema de riego Cayambe – Pedro Moncayo, es un proyecto concebido en el año 1975,

año en que el ex INERHI se dedicó a proyectar dicho sistema y fue en el año 1998, cuando

la Constructora Andrade Gutiérrez inició la ejecución de los trabajos, la empresa contratista

no disponía de estudios de detalle de las obras, como: hidrología, estudios de suelos,

geotecnia, sísmica y topografía de escala adecuada y actualizada, apenas contaba con

estudios de pre factibilidad elaborados por Pypsa, empresa española, Contratada por el ex –

INERHI, y mapas topográficos del IGM a escala 1:5000.

La topografía de detalle, revisión de diseños, cálculos, modificaciones e implantaciones de

las obras a construirse corrió a cargo del área técnica de la Unidad Administrativa del

Proyecto Canal de Riego Tabacundo, actualmente llamado Sistema de Riego Cayambe

Pedro Moncayo.

La fiscalización de este proyecto se encuentra a cargo de “EL GOBIERNO PROVINCIAL

DE PICHINCHA”. Una parte de la construcción del proyecto estuvo a cargo de la

Constructora Andrade Gutiérrez, posteriormente se entregó el proyecto a la constructora

Hidalgo & Hidalgo. El proyecto tiene una inversión de aproximadamente 118 millones de

dólares, financiada por la Prefectura de Pichincha y el Gobierno Central.

Es un proyecto cuya construcción es de vital importancia debido a las oportunidades que

brindará y a la cantidad de beneficiados, entre ellos el más importante es el de dotar de agua

para riego óptimo a los cantones Pedro Moncayo y Cayambe.

El sistema capta las aguas de los ríos: Boquerón, Arturo y San Pedro afluentes de ríos

amazónicos, recoge su caudal, el cual es transportado a través de 3 túneles con longitudes

de 1396 metros, 777 metros y 960 metros respectivamente, hasta llegar a la Laguna de

Regulación de San Marcos, aquí se almacenarán aproximadamente 10 millones de m3 de

agua.

2

Posteriormente se conducirá el agua a través del túnel de trasvase que tiene una longitud de

5 km y desembocará en el río La Chimba, para de esta manera aumentar el caudal del río;

almacenando dicho caudal en el Embalse de Regulación con un capacidad de 45 mil m3,

ubicado en la parroquia Olmedo, y conducirlo por 67 km del canal principal y 4 km de

túneles hasta llegar a 59 conexiones secundarias que en longitud suman aproximadamente

200 km y finalmente a través de 308 km de redes terciarias proveer de un sistema de riego a

14 mil hectáreas de cultivos, beneficiando de esta manera a 10 mil familias de las

parroquias: Olmedo, Ayora, Tupigachi, La Esperanza, Tabacundo, Tocachi y Malchingui

pertenecientes a los cantones Cayambe y Pedro Moncayo. Adicionalmente por el túnel de

trasvase se conducirá el agua que aportará al proyecto Pesillo- Imbabura, el cual dotará de

agua potable a miles de habitantes de las parroquias de los cantones: Otavalo, Antonio

Ante, Ibarra, Pedro Moncayo y Cayambe.

Figura N° 1.1 FASES DEL PROYECTO

Fuente: CONSEJO PROVINCIAL DE PICHINCHA

Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika

3

1.1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO

El proyecto está localizado al Nororiente de la provincia de Pichincha, en los cantones

Cayambe y Pedro Moncayo; las captaciones de los ríos están ubicadas en la parte limítrofe

la provincia del Napo con la provincia de Pichincha, específicamente en el cantón El

Chaco.

Las demás obras como: la presa de regulación, el túnel de trasvase y otros, se localizan en

la parroquia Olmedo, perteneciente al cantón Cayambe de la provincia de Pichincha, desde

este punto y mediante un canal principal de 67.8 km de longitud y una serie de canales

secundarios y terciarios que componen el sistema, se prevé el riego de áreas de producción

agrícola del cantón Cayambe y diversas parroquias del cantón Pedro Moncayo, finalizando

en la parroquia Malchinguí, perteneciente al cantón Pedro Moncayo.

1.1.2 GENERALIDADES DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN

El proyecto de riego Cayambe – Pedro Moncayo contempla el diseño y construcción de 4

captaciones en 4 diferentes ríos, una de las obras es la captación del río Boquerón, ubicado

al pie del nevado Cayambe, en donde se implementará una captación tipo Caucasiana,

diseñada para un caudal de 1.5 m3/s, en la que se debe implementar obras complementarias

como la propia rejilla de fondo, galería de captación, compuerta de limpieza y desarenador.

La cota de captación en el río Boquerón es la 3531.5 msnm.

La cuenca del río Boquerón tiene una superficie de 4,15 Km², la cual está constituida en su

mayor parte por pajonales. La morfología de esta cuenca presenta pendientes muy

pronunciadas que superan el 10%, en algunos tramos de recorrido del río se puede

encontrar quebradas pronunciadas en donde el paso por el curso fluvial es complicado.

Existen muchas zonas de flujo turbulento y con un acceso peligroso. La acumulación de

sedimentos se presenta en algunas zonas planas de material sedimentario

predominantemente grueso en donde se encuentra partículas con un diámetro mayor a

10cm.

4

1.2 DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO

FÍSICO DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL

LABORATORIO

Considerando que el estudio, diseño e implementación de las estructuras hidráulicas que se

van a construir en la captación del río Boquerón, son temas que se los estudia durante la

formación académica para ingenieros civiles, específicamente en el Área de Hidráulica, se

garantiza académicamente que la construcción de un modelo hidráulico físico en el

Laboratorio de Hidráulica se podrá llevar a cabo.

Lo primero que se debe hacer para realizar la implementación del modelo es conseguir toda

la información necesaria, diseños, planos, etc del mencionado proyecto; para ello se

establecieron conversaciones con el “Consejo Provincial de Pichincha”, quienes nos han

proporcionado los planos y diseños de la captación del río Boquerón. Una vez obtenida la

información requerida se planificó una visita técnica de campo, para conocer las

generalidades del proyecto, está visita se realizó con técnicos del CPP y el auspicio de la

FICFM: vehículo, chofer, conserje, Profesor Tutor, profesor del área de Hidráulica y

ayudante del Laboratorio de Hidráulica.

Para poder determinar cuál sería la escala adecuada con que se construiría el modelo se

debió tener en cuenta algunas consideraciones, entre las cuales estaban: analizar las

condiciones del Laboratorio de Hidráulica como son el espacio físico disponible y la

capacidad de las bombas que dispone el Laboratorio, entre otras. Una vez hecho este

análisis se concluyó que construyendo un modelo a escala 1:4, se cumple con las

condiciones requeridas y con la cual los fenómenos producidos son fácilmente apreciables.

5

Figura N° 1.2 ESQUEMA GENERAL DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA


6

1.3 OBJETIVO GENERAL DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO

Construir y experimentar un modelo hidráulico- físico de la Toma Caucasiana del río

Boquerón en el Laboratorio de Hidráulica de Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y

Matemática de la Universidad Central del Ecuador, para la enseñanza práctica de hidráulica

a los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Civil.

1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO

Experimentar el funcionamiento de las estructuras que forman parte de la toma

caucasiana, y recomendar si se debe realizar modificaciones en el prototipo.

Aportar con un modelo hidráulico físico como material didáctico para la

de obras de captación a los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Civil.

Analizar y cuantificar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte

del modelo.

1.5 HIPÓTESIS

La modelación física de la toma caucasiana del río Boquerón en el Laboratorio de

Hidráulica permitirá visualizar y demostrar que su funcionamiento sea representativo del

prototipo.

1.6 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

Generalmente una obra hidráulica de mediana y gran envergadura, para su construcción

requiere que antes de su implementación sea verificada en un modelo hidráulico físico

reducido para garantizar su funcionamiento. El presente estudio es para una obra de toma

de dimensiones pequeñas, sin embargo, al tratarse de una captación con rejilla de fondo que

se estudia como parte de la materia de Diseño Hidráulico II, es de gran importancia

construirlo y calibrarlo para la enseñanza práctica de los estudiantes de la Carrera de

Ingeniería Civil; además, aportar con criterios correctivos al prototipo.

La aplicación o funcionamiento de esta estructura hidráulica, de modelo a prototipo será

reflejada en la garantía del sistema de riego Cayambe-Pedro Moncayo.

7

1.7 ALCANCE DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO

El presente estudio contempla la modelación hidráulico físico de la toma caucasiana del río

Boquerón realizado en el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas de la Facultad de

Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática de la Universidad Central del Ecuador; para lo

cual se debe realizar las siguientes actividades: determinación de escalas, construcción del

modelo físico, calibración del modelo, realización de pruebas para distintos caudales con el

fin de verificar el comportamiento hidráulico de la estructura en estudio, con caudales

líquidos y transporte de fondo; analizar e interpretar los resultados y proponer posibles

mejoras para obtener un funcionamiento y comportamiento óptimo de las partes que

conforman esta toma caucasiana.

Con una selección adecuada de escalas, el modelo podrá reproducir adecuadamente los

fenómenos que se quieren analizar y las variables que influyen sobre los mismos.

8

CAPÍTULO 2

2. GENERALIDADES DE UNA TOMA CAUCASIANA, DESCRIPCIÓN DE LOS

ELEMENTOS QUE LA CONFORMAN

2.1 DESCRIPCIÓN DE UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO

Este tipo de obra de captación se implementa en el cauce del río y está protegida por una

rejilla de fondo, ubicada de manera que los materiales gruesos de determinados diámetros

no pasan hacia la estructura de toma. La rejilla está ubicada en forma transversal al

cauce del río y los barrotes paralelos al flujo del río. A esta estructura se le podrá dar

diferentes inclinaciones, esto dependerá de las condiciones del río y características del

proyecto; por debajo de ella se encuentra la galería, que es parte del cuerpo del azud y

conecta con el canal colector. Las partículas pequeñas que han logrado ingresar, serán

evacuadas por medio de estructuras complementarias como desarenadores y canales de

lavado.

Este tipo de captación es recomendable implementarla en ríos de montaña, debido a que la

principal característica de estos es que tienen pendientes fuertes y el arrastre de sedimentos

no es grande; caso contrario si se tiene abundante arrastre de sedimentos, estos provocarán

obstrucción rápidamente y la obra quedaría totalmente inutilizada.

2.2 CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA TOMA DE

FONDO O CAUCASIANA

Antes de realizar una implementación de este tipo de captación, se debe considerar

las características propias del lugar donde se va a implantar, que están en función de

la morfología del río y la topografía.

La ubicación de una obra de toma es de vital importancia y un aspecto muy

relevante a tomar en cuenta para garantizar el funcionamiento y comportamiento de

la estructura hidráulica, la cual está en función de las características topográficas y

geomorfológicas del río, así como de la pendiente del río, caudal sólido del río,

curso del río, terreno de fundación, etc.

9

Para reducir el ingreso de sedimentos y materia suspendida a la conducción, la

captación debe tener estructuras complementarias como desarenador y desripiador

en donde velocidad de flujo debe ser baja, preferiblemente inferior a 0.1 m/seg.

Como no todos los materiales son arrastrados por la corriente del río y cierta

cantidad de sedimentos, basuras, palos que arrastra el río ingresan por la rejilla, es

necesario construir un desripiador eficiente a continuación de la toma.

Como menciona Krochin en su libro Diseño Hidráulico este tipo de toma solamente

es práctico en los torrentes o río de montaña y no se ha utilizado para caudales

mayores de 10 m3/s. (Krochin, 2010)

Una toma caucasiana o de fondo construida con los parámetros y criterios

adecuados garantiza la seguridad de captación de agua requerida para el proyecto en

cualquier época del año.

La inclinación que tenga la rejilla es fundamental debido a que es necesario facilitar

el paso de los sedimentos sobre esta; de esto dependerá el funcionamiento óptimo

de la captación y a su vez se conseguirá mayor eficiencia para el paso del agua, en

función de las características del material arrastrado.

2.3 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAPTACIÓN EN RÍOS DE

MONTAÑA

Para el diseño de una toma tipo tirolesa se debe considerar los siguientes criterios:

a) Una toma caucasiana o de fondo es recomendable implementarla en ríos de montaña,

donde las pendientes longitudinales son fuertes; pueden llegar al 10% o a veces a más.

b) Son muy útiles para cauces con crecidas de corta duración y que arrastran gran cantidad

de material grueso.

c) Adecuadas para cauces que tienen grandes variaciones de caudal, que provienen de

nevados.

d) En cauces de ríos con poco contenido de material fino y donde el agua es

relativamente limpia en época de estiaje.

10

e) La rejilla es la parte más baja de la presa que cierra el río, cualquiera que sea el

caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Puede ubicarse a cualquier altura

sobre el fondo, dependiendo de las exigencias del proyecto. (Krochin, 2010)

2.4 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO

Un tramo central, donde se ubica la rejilla.

Un tramo hueco que tiene en su interior la galería, que conduce el agua que entra

por la rejilla hasta el canal. Al final de la galería se prevé la instalación de una

compuerta, que permite cerrar el paso de flujo hacia las obras para su

mantenimiento y limpieza.

En vista que una gran cantidad de arena y piedras pequeñas pasan por la

rejilla, es necesario construir un desripiador eficiente a continuación de la toma.

(Krochin, 2010)

FIGURA N° 2.1 PARTES DE UNA TOMA TIROLESA


11

2.5 REJILLA

Una toma caucasiana o de fondo debe cumplir con las características apropiadas para poder

satisfacer las necesidades y requerimientos del proyecto.

Se debe garantizar que con la inclinación establecida para la rejilla facilite el paso de

sedimentos sobre esta; esto dependerá de las características de dicho material.

Según Krochin la rejilla debe tener una inclinación con la horizontal entre 0° y 20% para

facilitar el paso de las piedras, pero según Bouvard se podría llegar hasta 40°.

Para disminuir el riesgo de obstrucción de la rejilla, se podrá colocar una rejilla gruesa,

formada por perfiles de mayor dimensión, evitando así el paso de materiales más gruesos,

esto se podrá lograr sólo si las condiciones del sitio en donde se pretende implantar la

estructura lo permiten.

Es fundamental asegurar la capacidad de captación de la obra, esto se lo consigue con un

espaciamiento adecuado entre barrotes, el mismo que dependerá del área disponible en el

sector de la toma y del diámetro máximo de partículas que pasen a través de los barrotes,

por lo que es necesario determinar las condiciones de transporte de sedimentos en el sector

donde se vaya a realizar la construcción de la obra de toma. El material que no ingrese a la

cámara de captación o galería, continuará su recorrido hacia aguas abajo del cauce, por lo

que el flujo deberá tener velocidades que garanticen el paso de dicho material, caso

contrario todo este material quedará dispuesto sobre la rejilla obstruyendo la sección

efectiva de ingreso.

Los barrotes de la rejilla están dispuestos en dirección de la corriente e inclinadas con

dirección aguas abajo, con la finalidad de que el material que arrastre el río pase hacia

aguas abajo. Los barrotes deben ser estructuralmente resistentes al paso de las piedras que

transporta el río. Por lo general el material de los barrotes es hierro, tienen diferentes

formas (sección rectangular, circular, ojival o trapecial); se escogerá la sección en función

de los requerimientos del proyecto y de las características del material de arrastre,

generalmente el rectangular.

12

Las partículas más pequeñas que pasen entre barrotes, ingresan con el agua al canal

colector, de donde deben ser separadas por medio de un desarenador. Recientes

investigaciones (Laboratoire de Constructions Hydrauliques Ecole Politechnique Federale

de Lausanne, 2006) han determinado que rejillas colocadas sobre la cara de aguas abajo

de un azud, en sentido transversal al flujo, evitan el ingreso de material fino con un mínimo

de obstrucción y necesidad de limpieza. La rejilla se instala sobre la cara de aguas abajo,

siguiendo el perfil de escurrimiento del azud. (SUSTENTABLE), 2010).

2.5.1 LONGITUD DE LA REJILLA

El autor Sviatoslav Krochin (2010) recomienda que la longitud de la proyección horizontal

de la rejilla no sea mayor a 1,25 metros, de tal manera que sus dimensiones sean adecuadas

para que puedan resistir el paso de grandes piedras.

Para la definición del largo de la rejilla, Frank recomienda afectar Lmin por un factor que

varía entre 1.5 a 2.0 para pendientes de la rejilla entre 20 y 30 %. (SUSTENTABLE),

2010)

2.6 GALERÍA

El agua que se ha captado a través de la rejilla, pasa por un canal colector, que no es más

que una cámara de captación (galería) que tiene como función receptar y transportar el

agua, incluso el material sólido que se ha captado a través de la rejilla; este canal se lo debe

dimensionar de tal manera que pueda evacuar el caudal para el que fue diseñada la rejilla o

sea el caudal de diseño del proyecto.

El desarrollo del flujo sobre la rejilla puede considerarse como bidimensional, mientras

que en la cámara de captación presenta un flujo tridimensional. (PIZANO, 2002)

S. Krochin (2010), recomienda que la velocidad inicial del agua sea de 1,0 m/s al entrar en

el canal colector y de 2,0 a 3,0 m/s al salir para garantizar que las piedras y arena que han

pasado por la rejilla sean evacuadas hacia el desarenador. (SUSTENTABLE), 2010)

13

Para garantizar que todos los sedimentos que han ingresado por la rejilla al canal colector,

este deberá tener una pendiente adecuada para que el material sea evacuado fácil y

rápidamente.

2.7 DESARENADOR

En ninguna obra de captación se podrá evitar el paso de sedimentos hacia el proyecto, a

pesar de que la implantación de la toma caucasiana sea propia de ríos de montaña con

arrastre de sedimentos relativamente bajos; si las cantidades son pequeñas este material

pasará por la rejilla y si no se lo capta mediante una estructura complementaria, este podrá

obstruir las demás obras impidiendo el paso adecuado del agua y reduciendo el caudal

requerido para el proyecto.

La estructura complementaria que se deberá construir para captar los sedimentos que han

pasado por la rejilla se denomina desarenador y tiene como función captar todo tipo de

material que ingrese y regresarlos al río.

Hofer-1979 (Drobir) plantea el diseño de este elemento en función del caudal medio.

En la etapa de diseño se deberá tener en cuenta algunas consideraciones:

Considerar que las partículas están distribuidas uniformemente.

Se tiene flujo laminar alrededor de las partículas.

Durante el análisis y diseño de un desarenador se debe considerar los siguientes factores:

Temperatura

Viscosidad del agua

Tamaño de las partículas de arena

Velocidad de sedimentación de la partícula

Una vez conocidas estas consideraciones, el proyectista en su diseño deberá garantizar las

siguientes condiciones:

14

El dimensionamiento del desarenador será tal que deberá permitir la retención del

material sólido que tenga diámetros mayores al diámetro máximo permitido por las

condiciones de escurrimiento de la estructura de conducción.

Durante las operaciones de limpieza todo el material que ha logrado ingresar deberá

ser evacuado rápidamente.

La implementación de un desarenador es fundamental en la construcción de captaciones, si

no se dispone de esta estructura, se producirán algunos daños considerables; uno de ellos es

que debido a la sedimentación la sección del canal de conducción disminuirá teniendo que

aumentar los procesos de mantenimiento de la obra. La realización de pruebas de

laboratorio sobre un modelo físico en el cual se pueden apreciar las condiciones de la

fuente, contribuirán en la realización del diseño de un desarenador eficiente; sin embargo

los altos costos que implica la realización de estas pruebas comparadas con la inversión que

requiere la construcción de la estructura del proyecto, exigen asimilar teorías como la teoría

básica de la sedimentación, la cual establece que la velocidad de sedimentación de

partículas discretas en un fluido en reposo se obtiene considerando las fuerzas que actúan

sobre la partícula; como son:

Fuerza de flotación (Ff): Igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula.

Fuerza Gravitacional (Fg): Dada por la fórmula de Newton.

Fuerza de fricción (Fr)

Cuando existe equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza gravitacional, la partícula se

encuentra en estado estático.

Cuando no existe equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza gravitacional, se produce

la sedimentación de las partículas. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 183)

2.7.1 ZONAS DE UN DESARENADOR

Un desarenador consta de cuatro zonas y se debe proveer de dispositivos que hagan

eficiente el proceso de sedimentación.

15

FIGURA N° 2.2 ZONAS DE UN DESARENADOR


2.7.1.1 ZONA DE ENTRADA

Es la cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la

captación. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 192)

En esta zona podemos distinguir las siguientes estructuras:

2.7.1.1.1TRANSICIÓN

Las transiciones se diseñan siempre y cuando exista cambio entre una sección y otra; esto

ocurre en los siguientes casos:

16

Cuando las condiciones de trazado presenten cambios de pendiente y posiblemente

de las dimensiones de la sección.

Cuando las indicaciones geotécnicas del trazado atribuyen cambios en los tipos de

sección.

Cuando se vaya a disminuir o aumentar caudales teniendo así que realizar algún tipo

de modificación de la capacidad de los canales.

Al comienzo y al final de estructuras especiales, para enlazarlas con el canal, como

son puentes- canales, sifones invertidos, etc.

La transición se diseña con la finalidad de:

Minimizar las pérdidas localizadas de energía

Evitar ondas, particularmente las cruzadas

Eliminar excesos de turbulencia.

Existen dos tipos de transición:

Las contracciones que suponen un cambio de una sección a otra de menores

dimensiones.

Las expansiones que suponen un cambio de una sección a otra de mayores

dimensiones.

La forma que adoptarán este tipo de transiciones depende de:

Las formas que tengan las secciones de entrada y salida de la transición.

Las condiciones del flujo de entrada y salida que se presente en la transición, ya

sean estos subcrítico o supercrítico.

La disponibilidad de energía que puede perderse en la transición en determinadas

circunstancias, como cuando existe un desnivel apreciable entre el origen y el

destino del canal, puede perderse energía sin mayores consecuencias, pero en sitios

muy planos ocurre que se pierde energía con algunas consecuencias, cuando se

tenga este caso se tendrá que diseñar transiciones con las que se tenga un mínimo de

pérdidas de energía.

17

Toda transición ocasiona, en principio, un flujo rápidamente variado y una pérdida

localizada de energía producto de los efectos de la resistencia de forma y superficie; esto

quiere decir que una transición de forma hidrodinámica tendrá pérdidas mucho menores

comparadas con otra más brusca, con la desventaja de que esta será más costosa.

FIGURA N° 2.3 TIPOS DE TRANSICIONES DE CANALES RECTANGULARES A

TRAPECIALES


2.7.1.2 ZONA DE SEDIMENTACIÓN

Las características de régimen de flujo en esta zona, permiten la remoción de sólidos del

agua. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 192)

La teoría de funcionamiento de esta zona se basa en las siguientes condiciones:

Las características de asentamiento en esta zona ocurre como el asentamiento que se

produciría en un recipiente con fluido en reposo de la misma profundidad.

18

A la entrada de la zona de sedimentación la disposición de las partículas ocurre en

forma homogénea.

La velocidad horizontal del fluido es menor que la velocidad de arrastre de lodos,

una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las

partículas en el desarenador es una línea recta

2.7.1.2.1 CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN

Cuando se produce un aumento de la sección transversal las partículas sólidas caen al

fondo, proceso que ocurre debido a la disminución de la velocidad.

Según Dubat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar

diversas materias constan en la tabla 3.1:

TABLA N° 2.1 VELOCIDADES LIMITE POR DEBAJO DE LAS CUALES EL

AGUA CESA DE ARRASTRAR DIVERSAS MATERIAS

MATERIA VELOCIDAD (m/s)

Arcilla 0.081

Arena Fina 0.160

Arena Gruesa 0.216

Fuente: (Krochin, 2010, pág. 124)


2.7.1.3 ZONA DE LODOS

Su principal función es la de recibir y almacenar los sedimentos en el fondo del

desarenador.

En su diseño debe considerarse los siguientes aspectos:

La forma en que serán removidos los lodos.

La velocidad horizontal que tenga el agua en el fondo.

La sección transversal de un desarenador puede ser de cualquier forma, aunque las más

usuales son de forma rectangular o trapezoidal ya sean estas simples o compuestas y se las

19

debe diseñar para velocidades que pueden variar entre (0.1 y 0.4) m/s, con una

profundidad entre (1.5 y 4) m. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a

1:8 (Krochin, 2010, pág. 125)

Desarenador de forma rectangular

Se debe considerar que las paredes van a soportar la presión de la tierra y por lo tanto se

diseñarán como muros de sostenimiento.

Desarenador de forma trapezoidal

Esta forma es hidráulicamente más eficiente y económica, las paredes trabajan como simple

revestimiento, dependiendo del tipo de suelo.

2.7.1.3.1 COMPUERTA DE LAVADO

Hay que considerar que en época de lluvias al sistema ingresarán mayor cantidad de

sedimentos arrastrados por el río, por lo tanto es necesario considerar la implementación de

una compuerta, su función principal es la de evacuar rápidamente todo el material que ha

ingresado al sistema.

Las dimensiones de la compuerta de limpieza están en función de las condiciones que el

diseñador requiera para evacuar los sedimentos; se tendrá en cuenta aspectos como:

régimen de caudales de ingreso, características del movimiento de sedimentos en el lugar

de la toma y condiciones de operación del sistema receptor.

Las dimensiones de la abertura de la compuerta dependerán de factores como:

Densidad del material

Diámetro de los granos

Tiempo de limpieza.

Las bases para el diseño de la compuerta se basan en los principios del movimiento de

sedimentos.

20

Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador

generalmente se le da una gradiente fuerte del 2 al 6 %. Cuando el desarenador es muy

largo, la fuerte gradiente del fondo puede resultar en profundidades muy grandes al final,

junto a las compuertas de lavado; por esto, muchas veces se divide la cámara

longitudinalmente en dos partes. (Krochin, 2010)

La característica de este desarenador es que los procesos de sedimentación y evacuación se

realizan simultáneamente. Se recomienda realizar la construcción de este desarenador

cuando la cantidad de agua disponible en el rio sea considerablemente mayor que la que se

necesita captar para el proyecto.

2.7.2.1.2 DESARENADORES DE LAVADO INTERMITENTE

La característica de este desarenador es que los sedimentos son almacenados y luego de

realizar el proceso de expulsión en movimientos separados. Son los más comunes y el

proceso de lavado se procura hacerlo en el menor tiempo posible, para de esta manera

reducir al mínimo las pérdidas de agua.

2.7.2.2 EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO

DE BAJA VELOCIDAD

V < 1 m/s (0.20 - 0.60) m/s (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)

DE ALTA VELOCIDAD

V > 1 m/s (1.00 – 1.50) m/s (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)

2.7.2.3 POR LA DISPOSICIÓN DE LOS DESARENADORES

EN SERIE

Formado por dos o más depósitos, dispuestos uno a continuación del otro.

21

EN PARALELO

Formado por dos o más depósitos dispuestos paralelamente.

2.7.2.4 DESARENADORES DE FLUJO HORIZONTAL

En instalaciones en donde se tenga poblaciones con poca demanda de habitantes, la

implementación de este tipo de desarenador es adecuada; consisten en un ensanchamiento

de canal de penetramiento de manera que se reduzca la velocidad de flujo y las partículas

decanten. Debe diseñarse con un canal paralelo para proceder a su limpieza la cual es

llevada a cabo de forma manual. Usualmente su instalación se la realiza con un canal

Parshall a la salida que permite medir el canal y a la vez mantener constante la velocidad.

2.7.2.5 DESARENADORES DE FLUJO VERTICAL

Se diseñan mediante tanques que tienen una velocidad ascensional de agua de manera que

sea posible la decantación de las arenas. Suelen ser depósitos tronco-cilíndricos con

alimentación tangencial. (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)

2.7.2.6 DESARENADORES DE FLUJO INDUCIDO

Son de tipo rectangulares aireados. En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos

moto-soplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la decantación de

las arenas y genera una corriente de fondo. El aire provoca la separación de las materias

orgánicas. (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)

2.7.2.7 DESARENADORES DE ALTA RATA

Consisten en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente

láminas paralelas, dispuestos con un ángulo de inclinación con la finalidad de que el agua

ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores

que las que se utilizan en desarenadores convencionales; por ende son más funcionales,

ocupan menos espacio, más económico y eficiente. (Choquehuanca Chamorro, y otros,

2011)

22

2.7.2.8 DESARENADOR DE VÓRTICE

Este tipo de desarenador consiste en la formación de un vórtice inducido mecánicamente,

que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Estos incluyen dos diseños:

Cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena

Cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva.

A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan

la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo

retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena.

El modelo de mi proyecto de investigación de la captación del río Boquerón tiene un

desarenador de lavado intermitente.

FIGURA N° 2.4 ESQUEMA DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE


23

2.8 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Debido a las características que presentan los ríos, estos se convierten en el principal agente

de transporte de sedimentos. El transporte de sedimentos es un fenómeno complejo que está

en función de las características propias de la cuenca y las características del río; la primera

característica indica la cantidad, naturaleza y propiedades físicas de los materiales

disponibles para el transporte; y la otra indica, la capacidad del sistema hidráulico para

transportar dichos materiales.

Por lo general los procesos de transporte de sedimentos no son continuos en el tiempo y en

el espacio, comúnmente se intercalan períodos de arrastre y de sedimentación con

intervalos de tiempo irregulares y relativamente altos entre ellos.

Para evaluar y analizar dicho transporte se mide la carga de sedimentos, conformada por la

cantidad de partículas sólidas que se mueven por la acción del agua en una unidad de

tiempo. También es necesario medir la concentración de sedimentos, que consiste en la

relación entre la cantidad de sólidos en un determinado volumen de agua y el volumen de la

muestra.

2.9 CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS

Los sedimentos naturales están constituidos por un sin número de partículas de diferente

tamaño, forma y densidad. Si a estos los clasificamos considerando la resistencia que estos

oponen a ser arrastrados se distinguen dos clases: cohesivos y no cohesivos.

2.9.1 SEDIMENTO NO COHESIVO

También llamado material granular, es el aquel material formado por granos gruesos, como

arenas y gravas. La fuerza de gravedad predomina sobre cualquier otra fuerza, debido a esta

condición todas las partículas gruesas tienen un comportamiento similar. El peso es la

fuerza principal que resiste las fuerzas de arrastre y sustentación.

A lo largo de los cursos de corrientes naturales es común observar que los materiales no

cohesivos son predominantes.

24

2.9.2 SEDIMENTO COHESIVO

Formado por partículas de grano muy fino, constituidas por minerales de arcilla, actúa la

fuerza de cohesión la que hace que se mantengan unidas entre sí, y además se opone a que

las partículas individuales sean separadas del conjunto.

Esa fuerza de unión es considerablemente mayor que el peso de cada grano, y es la que

resiste a las fuerzas de arrastre y sustentación.

2.10 PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS

Las características que definen los procesos de suspensión, transporte y posterior expulsión

del sedimento no dependen únicamente de las condiciones de flujo, también dependen de

las propiedades del sedimento.

2.10.1 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS

Para la determinación del tamaño de una partícula se emplean diferentes métodos, los

cuales consisten en la selección arbitraria del diámetro o también en la selección de un

método conveniente de medición.

25

TABLA N°2.2: CLASIFICACIÓN DE SEDIMENTOS POR TAMAÑOS

NOMBRE TAMAÑO TAMIZADO S

UE

LO

S G

RA

NU

LA

RE

S

CANTO RODADO

Muy grande

Grande

Mediano

Pequeño

4m – 2m

2m – 1m

1m – 0.5m

0.5m – 0.25m

GUIJARRO

Grande

Pequeño

256mm – 128mm

128mm – 64mm

GRAVA

Muy Gruesa

Gruesa

Mediana

Fina

Muy Fina

64mm – 32mm

32mm – 16mm

16mm – 8mm

8mm – 4mm

4mm – 2mm

Pasa el tamiz 3 plg y es

retenido por el tamiz N°4

ARENA

Muy gruesa

Gruesa

Mediana

Fina

2mm – 1mm

1mm - 1

2mm

1

2mm -

1

4mm

1

4mm -

1

8mm

Pasa el tamiz N° 4 y es

retenido por el tamiz

N°200

SU

EL

OS

CO

HE

SIV

OS

LIMO

1

16mm -

1

256mm

Pasa el tamiz N°200

ARCILLA 1

256mm -

1

4096mm Pasa el tamiz

N°200

FUENTE: (BOLINAGA, 1979)


26

2.10.2 FORMA DE LAS PARTÍCULAS DEL SEDIMENTO

La forma se define a través de la redondez, esfericidad y factor de forma.

Redondez: Relación entre el radio medio de curvatura de las aristas de la partícula y el

radio de la circunferencia inscrita en la partícula. (Weber I. J., 2003)

Esfericidad: Relación entre el área superficial de una esfera de volumen equivalente y el

área superficial de la partícula. (Weber I. J., 2003)

Factor de forma: Se define por la relación. (Weber I. J., 2003)

2.10.3 PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTÍCULAS DE SEDIMENTO

Debido a su gran estabilidad, el cuarzo es el mineral más común en la composición de los

sedimentos transportados por el viento o el agua. Por tanto el peso específico relativo de

las arenas es muy parecido al cuarzo (2.65). Los feldespatos también forman parte de la

composición de las arenas y tienen un peso específico relativo variable entre 2.55 y 2.76.

En alguna proporción puede existir magnetita cuyo peso específico relativo es 5.17.

(Weber I. J., 2003)

2.10.4 VELOCIDAD DE CAÍDA DE LAS PARTÍCULAS

Cuando una partícula cae dentro de un líquido en reposo, su peso sumergido tiende a

equilibrarse con la fuerza que se opone a su caída, o sea con la fuerza de empuje que el

agua ejerce contra ella. En el instante en que ambas fuerzas se equilibran, la partícula

alcanza su velocidad de caída final, a partir de ese instante la partícula comienza a caer con

velocidad uniforme.

2.10.5 DISTRIBUCIONES GRANULOMÉTRICAS

Los sedimentos naturales están compuestos de granos que tienen una amplia variedad de

velocidades de caída y diferentes tamaños.

27

TABLA N° 2.3: MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

NOMBRE FORMA LIMITACIONES VENTAJAS

MEYER-PETER Y

MULLER Una Ecuación

No aplicable si hay

mucho sedimento

suspendido

Dimensionalmente

homogénea – buena

para material

granular

EINSTEIN

Ecuaciones y

gráficos para

resolverlas

Buena cuando hay

poca carga

suspendida.

Requiere medición

precisa de la

pendiente del cauce

– método laborioso

Dimensionalmente

homogénea – puede

calcular el gasto de

fondo y suspendido

por separado

BLENCH Una ecuación

Solo aplicable a ríos

de arena con dunas –

el río debe estar en

régimen no es

dimensionalmente

homogénea

Ecuación sencilla,

buena para canales

en régimen

COLBY

Ecuaciones y

gráficos para

resolverlas

No es homogénea –

válida para ríos con

profundidad < 3m.

Solo para cauces con

fondo de arena

Sencilla- toma en

cuenta la carga

suspendida – buenos

resultados para

profundidades < 3m

TOFFALETI

Tres ecuaciones para

cálculo en tres

veintenas de distinta

profundidad

Válida sólo para ríos

muy grandes –

fórmulas elaboradas

y largas – no es

dimensionalmente

homogénea

Cálculo gasto total

de sedimentos,

confiable para

grandes ríos

28

CONTINÚA TABLA N° 2.3: MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE

SEDIMENTOS

EINSTEIN

MODIFICADO

POR COLBY Y

HEBREC

Método analítico con

varias ecuaciones y

gráficos

Sólo aplicable para

ríos donde se ha

medido

concentración de

sedimentos – deben

ser arenas

Muy confiable para

el cálculo del

transporte total

EINSTEIN

MODIFICADO

POR COLBY Y

HUBBELL

Método Gráfico

Sólo aplicable para

ríos donde se han

medido

concentraciones de

sedimentos en el

rango de arenas

Muy confiable para

el cálculo del

transporte total

Fuente: (BOLINAGA, 1979)


29

CAPÍTULO 3

3. MODELACIÓN HIDRÁULICA

3.1 INTRODUCCIÓN A LA MODELACIÓN HIDRÁULICA

Modelación hidráulica es la representación física a escala mediante modelo físicos

reducidos, que tiene como punto de partida identificar las fuerzas predominantes en la

estructura estudiada, se complementa con una correcta selección de escalas y finalmente se

observa el comportamiento del modelo para analizar y predecir los posibles problemas y

soluciones del prototipo o estructura real; en donde además se deben considerar los

denominados “efectos de escala”.

3.2 MODELOS FÍSICOS REDUCIDOS

Un modelo físico es la representación de una estructura construida en campo (prototipo) a

determinada escala e implantado en un Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas

(modelo); por lo general se usan durante las etapas de diseño para identificar en el modelo

los problemas que podrían presentarse en el prototipo para de esta manera corregir defectos

y asegurar la construcción de una estructura óptima y asegurar una operación apropiada de

la misma.

La construcción de un modelo tiene como objetivo principal ayudar a los ingenieros

encargados del diseño de determinada estructura hidráulica a realizar la selección definitiva

del diseño más conveniente y apropiado; después de observar y analizar el comportamiento

que tendrá la estructura a ser construida en campo (prototipo) a través del modelo.

3.3 VENTAJAS DE LA MODELACIÓN FÍSICA

Tridimensionalidad.

En un modelo el flujo es tridimensional. Esta es una gran diferencia con respecto a la mayor parte

de las fórmulas que se emplea en la Hidráulica, las que corresponden a modelos bidimensionales.

Adicionalmente, el modelo permite apreciar el funcionamiento de la estructura en tres

dimensiones. (Felices, 2003)

30

Un modelo permite el estudio de diversas condiciones de diseño y operación.

Se puede variar los caudales, la cantidad de sólidos arrastrados y otras características del

escurrimiento con gran facilidad.

El modelo permite: el estudio y análisis de varias alternativas de diseño antes de la

selección definitiva.

3.4 ASPECTOS SIGNIFICATIVOS A TOMAR EN CUENTA PARA LA

CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO HIDRÁULICO

Necesidad de un modelo

Existen algunos puntos a tomar en cuenta para la construcción de un modelo hidráulico,

entre ellos tenemos:

Importancia de la estructura en estudio; si la estructura en estudio requiere de

mucha inversión, además si esta es de vital importancia para la sociedad y que un

mal funcionamiento de esta conllevaría pérdidas irreparables, es necesario la

investigación en un modelo.

Cuando la teoría requerida para el diseño es incompleta, inaplicable o inexistente.

(Felices, 2003)

Elevar el grado de seguridad de la estructura; Mediante la investigación

realizada en un modelo físico, se podrá visualizar el comportamiento de la

estructura en cuatro dimensiones (espacial + comportamiento durante el tiempo) y

lo más importante es que se podrá observar problemas que no habían sido previstos

durante el diseño realizado en gabinete.

El costo de un modelo: Si comparamos la inversión realizada en la construcción de

un modelo con la inversión realizada en los diseños y construcción de la estructura

en estudio y en general de toda la obra; esta es sumamente baja, casi despreciable.

Permite además encontrar mejoras a realizar en el prototipo, existe la probabilidad

de un posible ahorro.

31

3.5 PRINCIPIOS DE SIMILITUD

Una investigación realizada en un modelo hidráulico permite al ingeniero reproducir ciertos

fenómenos que ocurren en la naturaleza, pero esto no siempre es posible debido a que los

fenómenos que en ella se presentan son muy complejos y difíciles de representarlos a la

perfección. Se debe procurar reproducir por lo menos una parte o aspectos considerables de

un fenómeno y en esa parte tratar de conseguir la mayor semejanza posible que sea

compatible con los fines prácticos que buscamos.

Mediante el estudio de la Teoría de Modelos, el cual consiste básicamente en aceptar el

principio de la similitud, denominado también “Principio de Semejanza”; se puede

conseguir representar a escala gran parte de estructuras hidráulicas. A un modelo de

ninguna manera se lo puede considerar como una maqueta.

Una vez construido un modelo a escala se debe asegurar en lo posible que dicho modelo

cumpla con la mayor parte de características del prototipo; es decir que este debe tener

semejanza geométrica en cuanto a su forma y tener semejanza cinemática y dinámica en

cuanto a su funcionalidad.

3.5.1 SIMILITUD GEOMÉTRICA

Se consigue semejanza geométrica entre el modelo y el prototipo cuando las relaciones

entre todas las dimensiones correspondientes son iguales.

El = 𝑳𝒑

𝑳𝒎

Donde:

EI = Escala de longitudes

Lp = Longitud del prototipo

Lm= Longitud del modelo

32

3.5.2 SIMILITUD CINEMÁTICA

Indica que las relaciones de las velocidades características del prototipo con respecto a las

del modelo son las mismas:

V= 𝑽𝒑

𝑽𝒎

Donde:

V = Velocidad

Vp = Velocidad del prototipo

Vm = Velocidad del modelo

(Chanson, 2002, pág. 299)

3.5.3 SIMILITUD DINÁMICA

El concepto básico de similitud dinámica puede establecerse como un requisito para que

dos sistemas, con fronteras geométricamente semejantes, tengan configuraciones de

flujo geométricamente semejantes, en tiempos correspondientes.

Así, todas las fuerzas individuales que actúan sobre los elementos de masa

de los correspondientes fluidos, pueden ser debidas o a una fuerza del cuerpo tal como el

peso, en un campo gravitacional, a fuerzas superficiales, resultantes de los gradientes

de presión, esfuerzos viscosos o la tensión superficial.

Hay semejanza dinámica entre el modelo y el prototipo cuando las relaciones entre fuerzas

homólogas son iguales. Las condiciones para la semejanza dinámica completa se obtiene

del segundo principio de Newton Σ F = m*a. Entre modelo y prototipo se desarrolla la

siguiente relación de fuerzas:

∑𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂𝒔 𝒎𝒐𝒅𝒆𝒍𝒐

∑𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂𝒔 𝒑𝒓𝒐𝒕𝒐𝒕𝒊𝒑𝒐 =

𝒎𝒎∗𝒂𝒎

𝒎𝒑∗𝒂𝒑

33

Donde:

mm = Masa del modelo

am = Aceleración del modelo

mp = Masa del prototipo

am = Aceleración del prototipo

En la mayoría de los casos de la ingeniería hidráulica, no es factible, económica ni

técnicamente la similitud dinámica completa; sin embargo, es posible y científicamente

justificable el utilizar los criterios de la similitud dinámica restringida. Esto significa, que

el ingeniero debe seleccionar las fuerzas predominantes en determinado fenómeno

hidráulico y garantizar, con el diseño y la operación en el modelo, que exclusivamente

dichas fuerzas se encuentran simuladas en la escala correspondiente y en forma

apropiada. (Castro, Hidalgo, & Poveda)

3.6 ANÁLISIS DIMENSIONAL

Si se tienen en cuenta todos los parámetros básicos, el análisis dimensional arroja:

AD1 (ƿ, ư, σ, Eb, g, L, V, ΔP) = 0

Existen 8 parámetros básicos, cuyas dimensiones pueden agruparse en 3 categorías: masa

(M), longitud (L) y tiempo (T). El teorema de Buckingham II implica que las cantidades

pueden agruparse en 5 parámetros adimensionales independientes:

AD2 (𝑽

√𝒈𝑳;

ƿ𝑽𝟐

𝜟𝑷;

ƿ𝑽𝑳

ư;

𝑽

√𝝈

ƿ𝑳

; 𝑽

√𝑬𝒃

ƿ

)

AD2 (Fr; Eu; Re; We; Ma)

(Chanson, 2002)

34

3.6.1 SEMEJANZA DE FROUDE (Fr)

Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas

gravitacionales. La fuerza que predomina en un flujo con una superficie libre es la de

gravedad:

Frp = Frm

3.6.2 SEMEJANZA DE EULER (Eu)

Proporcional a la relación entre las fuerzas inerciales y las de presión.

3.6.3 SEMEJANZA DE REYNOLDS (Re)


viscosas. Cuando tenemos flujo a presión y velocidad inferior a la del sonido, la fuerza

predominante es la de viscosidad:

Rep = Rem

3.6.4 SEMEJANZA DE WEBER (We)

Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas de

capilaridad (tensión superficial);

Wep = Wem

3.6.5 SEMEJANZA DE MACH (Ma)


elásticas. La fuerza que predomina en un flujo a presión es la de compresibilidad:

Map = Mam

Considerando que los fluidos más comunes son el aire y el agua y que la modelación

hidráulica de flujos con superficie libre (ríos) se desarrolla con el mismo fluido en este caso

particular agua; tanto en el modelo como en el prototipo, utilizaremos la similitud particular

35

de Froude para determinar la escala correspondiente con que se construirá el modelo de la

toma caucasiana del río Boquerón.

3.7 SIMILITUD DE FROUDE

El número de Froude se utiliza para realizar modelos a escala en donde se tenga flujos con

superficies libres (ríos), flujos en canales abiertos y estructuras hidráulicas.

Frp = Frm

Escala de velocidades

𝑽𝒑

√𝒍𝒑∗𝒈𝒑 =

𝑽𝒎

√𝒍𝒎∗𝒈𝒎

𝑽𝒑

𝑽𝒎 = √𝝀 ∗

𝒈𝒑

𝒈𝒎

𝐃𝐨𝐧𝐝𝐞:

𝐕𝐩 = Velocidad en prototipo

𝐕𝐦 = Velocidad en modelo

𝐥𝐩 = Longitud en prototipo

𝐥𝐦 = Longitud en modelo

𝐠𝐩 = Gravedad en prototipo

𝐠𝐦 = Gravedad en modelo

𝝀 = Escala del modelo

Y si gp=gm

𝑽𝒑

𝑽𝒎 = √𝝀




𝝀 = Escala del modelo

36

Escala de caudales (Q = A*V)

𝑸𝒑

𝑸𝒎 =

𝑨𝒑

𝑨𝒎 *

𝑽𝒑

𝑽𝒎

𝑸𝒑

𝑸𝒎 = 𝝀(𝟓

𝟐⁄ )


𝐐𝐩 = Caudal en prototipo

𝐐𝐦 = Caudal en modelo

𝐀𝐩 = Área en prototipo

𝐀𝐦 = Área en modelo



𝝀 = Escala

3.7.1 CONSIDERACIONES PARA LA DETERMINACIÓN DE ESCALAS

Escogido el criterio de similitud se debe proceder a la determinación de las escalas del

modelo. En la selección de las escalas intervienen algunos factores como las exigencias

teóricas originadas en el Parámetro Característico de la Información y las circunstancias de

tipo práctico vinculadas al Laboratorio y a los objetivos de la investigación. Al determinar

una cierta escala; esta podría resultar satisfactoria desde el punto de vista teórico, pero a la

vez podría no ser compatible con las instalaciones que se tengan en el laboratorio.

Por lo tanto, para la selección definitiva de escalas se requiere no sólo el conocimiento

profundo de las circunstancias teóricas aplicables, también es necesario conocer las

condiciones del laboratorio en el que se va a realizar la investigación, tales como: espacio

disponible, capacidad de bombas instaladas, precisión de los instrumentos existentes y

muchos otros factores más.

37

3.7.2 SELECCIÓN DE ESCALA

Debido al espacio físico y capacidad de las bombas disponibles con que cuenta el

Laboratorio de Hidráulica de la FICFM de la UCE, se optó por escoger la escala 1:4.

TABLA N°3.1: ESCALAS DEL MODELO HIDRÁULICO

DIMENSIONES PROTOTIPO MODELO

CAUDALES

Q 80

m3/s

Q 10

m3/s

Q diseño

m3/s

Q 80

l/s

Q 10

l/s

Q diseño

l/s

0.18 0.42 1.5 Esc 1:4 Esc 1:4 Esc 1:4

5.6 13.1 46.9

LONGITUDES m m

Ancho río 4 1

Ancho rejilla 4 1

Longitud rejilla 1 0.25

Longitud

transición 5 1.25

Longitud

desarenador 13.90 3.475

Ancho desarenador 3 0.75

Longitud vertedero 1 0.25


38

3.8 CÁLCULOS REALIZADOS PARA DETERMINAR LAS DIMENSIONES DE

LAS ESTRUCTURAS

Como se mencionó en el Capitulo 1, el Consejo Provincial de Pichincha nos proporcionó

los planos, y detalles constructivos de la captación a implementarse en el río Boquerón; con

esta información procedí a realizar los cálculos para la construcción del modelo hidráulico

en el Laboratorio.

3.8.1 DISEÑO DE LA REJILLA

En cuanto a las dimensiones que tendrá la rejilla de entrada en el modelo; la información es

la siguiente:

FIGURA N° 3.1 ESQUEMA DE LA REJILLA DE FONDO


39

DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA DE FONDO

Qd= Caudal de diseño 0.046875 m3/s

b= Ancho de la rejilla 1 m

f= Coeficiente de obstrucción 0.2

i= Inclinación de la rejilla 0.09 %

S= Espaciamiento 1.75 cm

t= Ancho pletina 0.435 cm

e= Alto pletina 1.3 cm

L= Longitud de la rejilla 0.25 m

3.8.1.1 CÁLCULO DE DEL COEFICIENTE QUE REDUCE EL ÁREA TOTAL EN

ÁREA EFECTIVA DISPONIBLE PARA EL PASO DEL AGUA k

k= (1-f) * 𝑺

𝑺+𝒕

Donde:

f= Porcentaje de la superficie que queda obstruida por las arenas y gravas que se incrustan

entre las rejas. Krochin recomienda tomar valores entre (15-30) %. Para este cálculo se

tomó un valor de 25%.

S= Espaciamiento entre barrotes

t= Ancho de un barrote

k= (1-0.25) * 1.75

1.75 +0.435

k= 0.640

3.8.1.2 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN QUE VARÍA EN

FUNCIÓN DE LA DISPOSICIÓN DE LOS HIERROS DE LA REJILLA C

C= Coeficiente de contracción que varía en función de la disposición de los hierros de la

rejilla

C = Co – 0.325i

Donde:

i= Inclinación de la rejilla

S= Espaciamiento entre barrotes

40

e = Alto de la platina

Co= 0.6 para e/s>4

Co= 0.5 para e/s<4

𝒆

𝑺 =

1.3

1.75 = 0.742857143

Como la relación e/s<4 tomamos Co=0.5

Entonces:

C = 0.5 – 0.325*0.09

C = 0.47075

3.8.1.3 CÁLCULO DEL ANCHO DE LA REJILLA

La rejilla en este estudio se construirá en todo el ancho del azud que es de

aproximadamente 4 metros en prototipo; en el modelo se tiene un ancho de 1 metro,

entonces:

b = 1 m

Donde:

b= Ancho de la rejilla

Se dispondrán 45 barrotes con un ancho de 0.435 cm, como se ilustra en la figura

N°3.2:

41

FIGURA N°3.2 DIMENSIONES DE LA REJILLA


42

3.8.2 CÁLCULO DE LA GALERÍA

DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA

GALERÍA:


Cf= Cota fondo del río 2800 msnm

L= Longitud de la rejilla 0.25 m

b= Ancho de la rejilla 1 m

s= Espaciamiento 0.0175 m

g= Gravedad 9.81 m/s2

Vf= Velocidad al final de la

galería

2.000 m/s

Vo= Velocidad al comienzo de la

galería

1 m/s

n= Rugosidad 0.035

El cálculo de la galería se realiza en forma tabulada como se indica a continuación en la

taba 3.2, dividiendo el ancho de 1 metro en 24 tramos iguales de 0.5 m.

43

TABLA N°3.2: CÁLCULOS REALIZADOS PARA LA GALERÍA

x Qx Vx+1 A d P R R^(4/3) i hf ∑hf V2/2g h' COTA FROUDE

0 0.000 1.000 0.000 0.000 0.250 0.000 0.000 0 0 0 0.051 0.051 2799.95 -

0.01 0.000 1.010 0.000 0.002 0.254 0.002 0.000 1.0259 0.0103 0.0103 0.052 0.064 2799.94 7.484

0.02 0.001 1.020 0.001 0.004 0.257 0.004 0.001 0.4288 0.0086 0.0188 0.053 0.065 2799.93 5.371

0.03 0.001 1.030 0.001 0.005 0.261 0.005 0.001 0.2628 0.0079 0.0267 0.054 0.067 2799.93 4.450

0.04 0.002 1.040 0.002 0.007 0.264 0.007 0.001 0.1882 0.0075 0.0342 0.055 0.070 2799.93 3.910

0.05 0.002 1.050 0.002 0.009 0.268 0.008 0.002 0.1468 0.0073 0.0416 0.056 0.072 2799.93 3.548

0.1 0.005 1.100 0.004 0.017 0.284 0.015 0.004 0.0736 0.0074 0.0489 0.062 0.086 2799.91 2.690

0.15 0.007 1.150 0.006 0.024 0.299 0.020 0.006 0.0532 0.008 0.0569 0.067 0.100 2799.90 2.348

0.2 0.009 1.200 0.008 0.031 0.313 0.025 0.007 0.0443 0.0089 0.0658 0.073 0.114 2799.89 2.167

0.25 0.012 1.250 0.009 0.038 0.325 0.029 0.009 0.0397 0.0099 0.0757 0.080 0.127 2799.87 2.061

0.3 0.014 1.300 0.011 0.043 0.337 0.032 0.010 0.0372 0.0112 0.0869 0.086 0.141 2799.86 1.995

0.35 0.016 1.350 0.012 0.049 0.347 0.035 0.011 0.0358 0.0125 0.0994 0.093 0.154 2799.85 1.955

0.4 0.019 1.400 0.013 0.054 0.357 0.038 0.013 0.0351 0.0141 0.1135 0.100 0.168 2799.83 1.931

0.45 0.021 1.450 0.015 0.058 0.366 0.040 0.014 0.0349 0.0157 0.1292 0.107 0.181 2799.82 1.919

0.5 0.023 1.500 0.016 0.063 0.375 0.042 0.014 0.0350 0.0175 0.1467 0.115 0.195 2799.81 1.916

0.55 0.026 1.550 0.017 0.067 0.383 0.043 0.015 0.0354 0.0195 0.1662 0.122 0.208 2799.79 1.919

0.6 0.028 1.600 0.018 0.070 0.391 0.045 0.016 0.0360 0.0216 0.1878 0.130 0.222 2799.78 1.927

0.65 0.030 1.650 0.018 0.074 0.398 0.046 0.017 0.0367 0.0239 0.2117 0.139 0.236 2799.76 1.938

0.7 0.033 1.700 0.019 0.077 0.404 0.048 0.017 0.0376 0.0263 0.2379 0.147 0.251 2799.75 1.953

0.75 0.035 1.750 0.020 0.080 0.411 0.049 0.018 0.0385 0.0289 0.2668 0.156 0.265 2799.73 1.971

0.8 0.038 1.800 0.021 0.083 0.417 0.050 0.018 0.0396 0.0317 0.2985 0.165 0.280 2799.72 1.991

0.85 0.040 1.850 0.022 0.086 0.422 0.051 0.019 0.0407 0.0346 0.3331 0.174 0.295 2799.70 2.012

0.9 0.042 1.900 0.022 0.089 0.428 0.052 0.019 0.0419 0.0377 0.3708 0.184 0.311 2799.69 2.036

0.95 0.045 1.950 0.023 0.091 0.433 0.053 0.020 0.0432 0.0411 0.4119 0.194 0.326 2799.67 2.060

1 0.047 2.000 0.023 0.094 0.438 0.054 0.020 0.0446 0.0446 0.4565 0.204 0.342 2799.66 2.085


44

FIGURA N°3.3 PERFIL DE LA SOLERA DE LA GALERÍA


3.8.3 CÁLCULO DE LA COMPUERTA DE INGRESO AL CANAL QUE

CONECTA LA GALERÍA

Con base en las experiencias de Gentilini, Knapp propone una ecuación para calcular el

coeficiente de velocidad en compuertas verticales con descarga libre, en función de a/y1.

(Sotelo, 1995)

2799,60

2799,65

2799,70

2799,75

2799,80

2799,85

2799,90

2799,95

2800,00

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

CO

TAS

(msn

m)

POSICIÓN EN EL SENTIDO X (m)

45

FIGURA N°3.4 ESQUEMA DE UNA COMPUERTA PLANA


3.8.3.1 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD

Cv = 0.960 + 0.0979 * 𝒂

𝒚𝟏 Ecuación 3.1

Donde:

Cv = Coeficiente de velocidad

a = Abertura de la compuerta

y1 = Calado aguas arriba de la compuerta

El Cv tiene como límite superior 1, este se alcanza para a/y1=0.408

Reemplazando el valor de Cv=1 en la ecuación 3.1; queda:

1 = 0.960 + 0.0979 * 𝑎

𝑦1

46

0.04 = 0.0979 * 𝑎

𝑦1

𝑎

𝑦1 = 0.408 Ecuación 3.2

a = 0.408 * y1 Ecuación 3.3

Cálculo del Q que pasa por la compuerta (Q):

Q = 𝑪𝒄∗𝑪𝒗∗𝒃∗𝒂

√𝟏+ 𝑪𝒄∗𝒂

𝒚𝟏

* √𝟐 ∗ 𝒈 ∗ 𝒚𝟏 Ecuación 3.4

Donde:

Q= Caudal

Cc= Coeficiente de contracción

Cv = Coeficiente de velocidad

b = Ancho de la compuerta


y1 = Calado aguas arriba de la compuerta

Si reemplazamos la ecuación 3.3 en la ecuación 3.4; tenemos:

Q = 𝑪𝒄∗𝑪𝒗∗𝒃∗𝟎.𝟒𝟎𝟖∗𝒚𝟏

√𝟏+ 𝑪𝒄∗𝟎.𝟒𝟎𝟖∗𝒚𝟏

𝒚𝟏

* √𝟐 ∗ 𝒈 ∗ 𝒚𝟏

Coeficiente de contracción (Cc):

Cc = Á𝐫𝐞𝐚 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐫𝐮𝐢𝐝𝐚 𝐝𝐞 𝐥𝐚 𝐥á𝐦𝐢𝐧𝐚 𝐝𝐞 𝐚𝐠𝐮𝐚 𝐚 𝐥𝐚 𝐬á𝐥𝐢𝐝𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐨𝐫𝐢𝐟𝐢𝐜𝐢𝐨

Á𝐫𝐞𝐚 𝐨𝐫𝐢𝐟𝐢𝐜𝐢𝐨 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐮𝐞𝐫𝐭𝐚

Cc = Á𝒓𝒆𝒂 𝟐

Á𝒓𝒆𝒂 𝟏

Para fines prácticos, se recomienda un valor de Cc=0.62 para cualquier relación y1/a.

(Sotelo, 1995)

47

0.046875 = 0.62∗1∗0.25∗0.408∗𝑦1

√1+ 0.62∗0.408∗𝑦1

𝑦1

* √2 ∗ 9.81 ∗ 𝑦1

0.046875 = 0.06324∗𝑦1

√𝑦1+0.25296∗𝑦1

𝑦1

* √19.62 ∗ 𝑦1

0.046875 = 0.06324∗𝑦1

√𝑦1(1+0.25296)

𝑦1

* 4.429√𝑦1

0.046875 = 0.056 * y1 * 4.429√𝑦1

0.046875 = 0.250 * 𝑦14

3

0.187 = 𝑦14

3

y1 = 0.285 m = 28.47 cm

Si reemplazamos este valor en la ecuación 3.3; tenemos:

a = 0.408 * y1

a = 0.408 * 0.285

a = 0.116 m = 11.62 cm

Procedemos al cálculo de y2:

y2 = Cc * a

Donde:

Cc= Coeficiente de contracción


y2 = Calado aguas abajo de la compuerta

y2 = 0.62 * 0.116

y2 = 0.072 m = 7.19 cm

48

3.8.4 DISEÑO DEL DESARENADOR

DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL

DESARENADOR:

Qdiseño= Caudal de diseño 0.046875 m3/s

wf(arena fina)= Velocidad de sedimentación 0.16 mm/s

w(arena gruesa)= Velocidad de sedimentación 0.216 mm/s

w(arcilla)= Velocidad de sedimentación 0.081 m/s

w(asumida)= Velocidad de sedimentación 0.2 m/s

La sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1

m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m.

Procedimiento para el cálculo del desarenador:

3.8.4.1 DETERMINACIÓN DEL GRANO LÍMITE

La teoría de la desarenación se basa en la composición de velocidades.

Como lo menciona Krochin (2010) en su libro Diseño Hidráulico, el diámetro máximo de

la partícula admitido en sistemas de riego generalmente es de 0.5 mm. El valor del diámetro

máximo tomado por el Consejo Provincial de Pichincha es de 0.4 mm, entonces el valor del

diámetro máximo a escala para el modelo es de 0.1 mm. En función de este diámetro

tomaremos el valor de W (Velocidad de sedimentación) de la tabla 3.2:

49

TABLA N°3.3: VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN W (cm/s)

Fuente: (KROCHIN, 2010)


3.8.4.2 VELOCIDAD DE ESCORRENTÍA

Vd = a * √𝒅

Donde:

Vd= Velocidad media de la corriente en m/s

a= Coeficiente en función del diámetro (d)

d= Diámetro del grano

d en mm Según Vedeneyev

0.05 0.173

0.10 0.692

0.15 1.560

0.20 2.160

0.25 2.700

0.30 3.240

0.35 3.780

0.40 4.320

0.45 4.860

0.50 5.400

0.55 5.940

0.60 6.480

50

TABLA N°3.4: VALORES PARA DETERMINAR a EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO

VALORES DE a VALORES DE d (mm)

36 >1mm

44 0.1 mm < d < 1 mm

51 >0.1 mm

FUENTE: (GTZ, 1991)


Para d= 0.1 mm tomamos el valor de a=44

Vd = a * √𝒅

Vd = 44 * √0.1

Vd = 13.91 cm/s

Considerando un grano límite de 0.1 mm se usa una velocidad horizontal de la corriente de

0.1 m/s.

3.8.4.3 DIMENSIONES DEL DESARENADOR

LONGITUD DEL DESARENADOR

L = 𝒌∗𝒉∗𝑽𝒅

𝑾 Ecuación 3.7

Donde:

L= Longitud efectiva de sedimentación

h= Profundidad de sedimentación

Vd= Velocidad horizontal de la corriente

W = Velocidad de sedimentación

51

k = Componente normal de turbulencia (1.2 – 1.5) (KROCHIN, 2010); tomamos un valor

de 1.2 o lo podemos escoger en función de la tabla 3.4:

TABLA N°3.5: COEFICIENTE PARA EL CÁLCULO DE DESARENADORES DE

BAJA VELOCIDAD

VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO

(m/s)

k

0.20 1.25

0.30 1.50

0.50 2.00

FUENTE: (AGUA, 2010), TABLA 6


L = 1.2∗ 0.2∗0.1

0.00692

L = 3.5 m

ANCHO DEL DESARENADOR

b = 𝑸

𝒉 ∗𝑽𝒅

Donde:

b= Ancho del desarenador

Q= Caudal de diseño

Vd= Velocidad horizontal de la corriente


b = 0.046875

0.2 ∗0.1

b = 𝟎. 𝟒 𝒎

52

TIEMPO DE SEDIMENTACIÓN

t = 𝒉

𝑾

Donde:

t= Tiempo de sedimentación


W = Velocidad de sedimentación

t = 0.2

0.1

t = 4 seg

VOLUMEN DE AGUA CONDUCIDO EN ESE TIEMPO

V = Q * t

Donde:

V = Volumen de agua conducido


t= Tiempo de sedimentación

V = 0.046875 * 7.4

V = 0.35 m3

CAPACIDAD DEL TANQUE

V = b * h * L

Donde:

V = Volumen de agua conducido

b= Ancho del desarenador

53


L= Longitud efectiva de sedimentación

V = 0.39 * 0.4 * 3.3

V = 0.52 m3

Se comprueba que el Vtanque > Vagua. Para facilitar el lavado el desarenador tendrá una

pendiente de 5%, que empieza desde la transición.

El desarenador tendrá las siguientes dimensiones, como se muestra en el siguiente

esquema:

FIGURA N°3.5 DIMENSIONES DEL DESARENADOR


54

3.8.5 CÁLCULO DEL VERTEDERO

El proyecto contiene un vertedero hidrodinámico tipo Creager que tiene las siguientes

características en modelo y prototipo:

DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL VERTEDERO :

Qc= Caudal de crecida 0.1488 m3/s

L= Ancho del vertedero 0.75 m


P= Paramento A.A 0.375 m

g= Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2

Qcrecida= Caudal de crecida 0.0469 m3/s

C= Coeficiente 2

FIGURA N°3.6 ESQUEMA DE UN VERTEDERO CREAGER


55

3.8.5.1 CÁLCULO DE LA CARGA DE AGUA (Hd)

Q = C * L * 𝑯𝒅𝟑

𝟐⁄ Ecuación 3.8

Donde:


C = Coeficiente de descarga o de caudal

L= Ancho del desarenador

Hd = Carga de agua sobre el vertedero para el Q diseño

Hd = (𝑸

𝑪∗𝑳)

𝟐

𝟑

Hd = (0.046875

2∗0.75)

2

3

Hd = 0.099 m

Con la ayuda de Excel, calcularemos los radios para dar la forma de la cresta del vertedero,

como se indica a continuación:

DISTANCIAS L1 Y L2:

0.282*Hd

0.028 m 2.798 cm

0.175*Hd

0.017 m 1.736 cm

RADIOS DE CURVATURA R1 Y R2:

R1=0,5*Hd

R1= 0.050 m 4.96 cm

R2=0,2*Hd

R2= 0.020 m 1.984 cm


Sobre la base de los datos del U.S. Bureau of Reclamation, el U.S. Army Corps of

Engineers ha desarrollado varias formas standard en su Waterways Experimental Station.

56

Tales formas, diseñadas como la WES formas Standard de vertederos, se pueden

representar por la siguiente ecuación: (CHOW, 1983)

𝑿𝒏 = K * 𝑯𝒅𝒏−𝟏 * Y Ecuación 3.9

Donde:

X, Y = Coordenadas del perfil de la cresta

Hd = Altura de diseño, excluyendo la altura de velocidad del flujo

k, n = Parámetros dependiendo de la pendiente del paramento de la cara aguas arriba del

vertedero.

Para paramento vertical:

k = 2.000 (CHOW, 1983)

n= 1.850 (CHOW, 1983)

Conocidos los valores de H, k y n, con la ayuda de Excel damos valores a Y para encontrar

los valores de X, y así poder encontrar el perfil del vertedero, como se muestra a

continuación:

57

FIGURA N°3.7 PERFIL DEL VERTEDERO HIDRODINÁMICO CREAGER


y = -4,17x2 - 0,0798xR² = 0,9999

-0,2

-0,18

-0,16

-0,14

-0,12

-0,1

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 0,2500

PERFIL DEL AZUD

58

CAPÍTULO 4

4. PROCESO CONSTRUCTIVO DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA

TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE

HIDRÁULICA DE LA FICFM DE LA UCE

4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO CONSTRUCTIVO

El modelo hidráulico ocupará un área de 12.35 m2

La mampostería que se utilizó para la construcción del modelo es bloque alivianado de

dimensiones 10*20*40 cm.

Se empezó a construir el modelo el 19 de septiembre de 2016 y se concluyó el 25 de

noviembre de 2016.

El modelo está conformado por las siguientes estructuras: dos tramos del río; uno natural y

otro como plataforma de ingreso a la rejilla para uniformizar el flujo, rejilla de fondo,

galería, canal de conducción, transición, desarenador, vertedero y dos compuertas. Además

salidas o descargas de los caudales desde el desarenador y desde el vertedero hacia el canal

de recirculación propio del Laboratorio hacia el sistema de bombeo.

Como parte del modelo se cuenta con el sistema de bombeo, conducción, tanque de

ingreso, tuberías de descarga y canal de recirculación al tanque cisterna.

59

FIGURA N°4.1 ESQUEMA GENERAL DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN IMPLEMENTADA EN EL LABORATORIO DE INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS

60

4.2 REGISTRO DE LA CONSTRUCCIÓN

REPLANTEO

Una vez que se concluyó con el trabajo de gabinete para establecer escalas, ubicación del

modelo, elaboración de planos, cronograma de actividades, etc; se procedió a realizar el

replanteo para la construcción del modelo; antes de esto se desmontó algunas estructuras

que estaban ubicadas en este lugar.

FOTOGRAFÍA N° 4.1 FOTOGRAFÍA N° 4.2

UBICACIÓN DE LA PLATAFORMA

DEL CAUCE DEL RÍO

UBICACIÓN DEL DESARENADOR


PLATAFORMA PARA CONFORMAR EL RÍO

En el Laboratorio de Hidráulica se dispone de un sistema de bombeo y otras estructuras

hidráulicas aprovechadas para adaptarlas al modelo, así se optimiza los recursos materiales

y económicos.

Se construyó una plataforma con una altura de1.20 m, un ancho de 1.0 m y un largo de 3.40

m. Para conformar el cauce del río se realizó un relleno hasta conseguir una pendiente de

9%, que es la pendiente que tiene el río en prototipo y por ende en el modelo.

Plataforma

del río

Rejilla de Fondo Canal de

Conducción

Desarenador

Vertedero Creager

61


CAUCE DEL RÍO Y REJILLA

Constan: Maestro albañil, tutor y tesista

CONFORMACIÓN NATURAL DEL

RÍO A ESCALA


CONSTRUCCIÓN DE LA REJILLA DE FONDO Y GALERÍA

Finalizada la conformación del cauce del río, se prosiguió con la construcción de la rejilla

de fondo que atraviesa todo el ancho del río, tiene un ancho de 0.25 metros y una longitud

de 1 m, una inclinación de 9%, es decir tiene la misma pendiente del río; los barrotes están

dispuestos en forma paralela al cauce del río, sus dimensiones son 1/8 plg de espesor * ½

plg de altura. Antes de la rejilla se construyó una plataforma para encausar el agua, esta

tiene un ancho de 1 m y 60 cm de largo; bajo esta estructura se encuentra ubicada la galería

la cual tiene las mismas dimensiones de la rejilla, el fondo tiene una pendiente longitudinal

de 21%.

Tanque de reserva

62


INSTALACIÓN DE LA REJILLA CONFORMACIÓN DE LA GALERÍA


COMPUERTA

En determinadas ocasiones se deberá dar mantenimiento al desarenador y obras anexas,

para esto se debe suspender el paso de agua al proyecto, por esto se colocó una compuerta a

continuación de la rejilla; con dimensiones de 0.25 metros de ancho y 0.60 metros de altura.

El material de la compuerta es acrílico y metal estructural.

Rejilla

de fondo

Galería

63


DETALLES COMPUERTA COMPUERTA A CONTINUACIÓN DE

LA REJILLA


CANAL DE CONDUCCIÓN

Aguas abajo de la galería se dispone de un canal que facilitará el paso del agua hacía el

desarenador.

El canal tiene una forma rectangular, recta y luego una curva; su pendiente es alta para

evitar que las partículas no se sedimenten. La velocidad del agua en el canal de conducción

debe ser alta, por esto la pendiente longitudinal es de 6%.

Rejilla de

fondo

Guías

Compuerta

Compuerta

Canal de

conducción

64


CONSTRUCCIÓN DEL CANAL DE

CONDUCCIÓN CANAL DE CONDUCCIÓN


CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN Y DESARENADOR

Se construyó una transición de 12.5 ° su longitud es de 1.25 metros, con pendiente

longitudinal de 5 % para que conecte el canal de conducción con el desarenador.

El desarenador tiene una longitud de 3.48 metros, una pendiente longitudinal de 5%; en su

interior dispone de dos taludes dispuestos a cada lado a 45° y en el centro un canal de

sedimentación con un ancho de 0.25 metros.

Forma curva del

canal de conducción

Canal de

conducción

Rejilla de

fondo

Compuerta

65


CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN CONFORMACIÓN DEL

DESARENADOR


CONSTRUCCIÓN DE TALUDES INCLINADOS

Al interior del desarenador se construyó dos taludes inclinados a lo largo de las paredes del

desarenador; cada uno con un ancho de 0.25 metros, estos contribuyen a una mejor

concentración de sedimentos en el desarenador.

En el centro de estos dos taludes está ubicado un canal de 0.25 m de ancho por donde se

descargará el material sedimentado en el momento de lavado del desarenador.

Transición

Desarenador

66


VERIFICACIÓN DE NIVELES Y

MEDIDAS; TRANSICIÓN Y

DESARENADOR

CONFORMACIÓN DE TALUDES DE

CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS


COMPUERTA DE LAVADO DEL DESARENADOR

Para desalojar el material sedimentado que ha ingresado al desarenador se construyó una

compuerta de lavado; ésta deberá trabajar abierta completamente al momento de realizar el

lavado; este proceso se lo debe realizar en el menor tiempo posible.

El material de la compuerta es de acrílico y metal estructural, tiene un ancho de 0.24 metros

y una altura de 0.25 metros.

Taludes

Canal

67


DETALLES COMPUERTA DE LAVADO COMPUERTA AL FINAL DEL

DESARENADOR


CANAL DE LAVADO DEL DESARENADOR

Una vez abierta la compuerta de lavado, todo el material sedimentado en el desarenador

será evacuado a través de este canal; pero como se debe evitar el paso de cualquier tipo de

material hacia el canal de recirculación del Laboratorio ya que de alguna manera pueden

dañar los equipos de bombeo, antes de este canal se construyó una cámara para retener los

sedimentos y a la vez cuantificarlos, colocando en éste mallas de diferentes tamaños, de

manera que obstruyan el paso de cualquier tipo de material hacia el canal.

Guías

Volante Compuerta de

lavado

Vertedero del

desarenador

68


CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN CANAL DE LAVADO


CONSTRUCCIÓN DEL VERTEDERO TIPO CREAGER A LA SALIDA

DEL DESARENADOR

A continuación del desarenador se dispondrá de un vertedero tipo Creager, para propiciar el

paso del agua al proyecto, libre de cualquier tipo de partículas.

Después del vertedero se construyó un tanque, el cual en el caso del proyecto real

(prototipo) sirve para facilitar el paso del agua hacia el colector; en el caso del modelo sirve

para facilitar el paso del agua hacia el canal de recirculación, a través de una tubería.

Para dar la forma de la cresta del vertedero se construyó un molde en madera a escala real

para facilitar su construcción.

Cámara de

sedimentación

Canal de lavado

69


PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL

VERTEDERO VERTEDERO HIDRODINÁMICO


MODELO HIDRÁULICO CONCLUIDO

Seguidos todos los pasos mencionados anteriormente y una vez construidas todas las

estructuras que conforman la captación del río Boquerón, el modelo queda a punto para

iniciar las corridas de prueba.

Pared del

vertedero

Tanque de aguas

limpias, y sólida al

proyecto

Vertedero de paso

Paso hacía el

proyecto

70

FOTOGRAFÍA N° 4.21

TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN


4.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN

Bloques de dimensiones 10*20*40

Hormigón

Piedras Pintadas

Mallas para retener sedimentos

Tubos de ø 250 mm

Acrílico y metal estructural

Hierro

Pintura

Silicón

Cemento

Cauce del río

Boquerón

Rejilla de

fondo

Canal de

conducción Desarenador

Compuerta

Compuerta

de lavado

Transición

Vertedero de salida

del desarenador Plataforma

de ingreso Cauce del río

aguas abajo

71

4.4 CLASIFICACIÓN Y MODELACIÓN DE LOS SUELOS/SEDIMENTOS

PARA LOS ENSAYOS

4.4.1 GRANULOMETRÍA

Como la modelación hidráulica consiste en reproducir todos los fenómenos que ocurren en

la naturaleza de la manera más aproximada posible y, sabiendo que el río Boquerón

arrastrará cierta cantidad de material hacia la rejilla y galería y continuaran por las demás

estructuras hacia el proyecto; para poder reproducir este fenómeno en el modelo se debió

determinar la escala del material de fondo arrastrado por el río Boquerón y hacer un

tamizado obteniendo de esta manera seis diferentes tipos de diámetro, como se detallan a

continuación:


Proceso de tamizado del material de arrastre de fondo y determinación de 6 diámetros

representativos para realizar la modelación.


FINOS

𝟑

𝟖 plg

𝟑

𝟒 plg

1 plg

1 𝟏

𝟐 plg

72

4.4.2 DIFERENCIACIÓN DE DIÁMETROS

Para poder diferenciar los distintos diámetros obtenidos, que serán corridos en el modelo se

pintó cada uno de diferente color, de esta manera se distinguirá fácilmente al momento de

valorar su cantidad depositada en el desarenador, cauce del río o sobre la rejilla; como se

detalla en la fotografía N° 4.23:


Proceso de pintado de los sedimentos, de seis colores dispuestos para las corridas en el

modelo:


73

TABLA N° 1

A continuación se detallan los 6 diámetros con su respectivo color distintivo para realizar la

modelación.

COLOR DISTINTIVO

DIÁMETRO EN

MODELO

DIÁMETRO EN

PROTOTIPO

plg cm plg Cm

0.2 0.5 0.8 2

3

8 1

3

2 3.8

3

4 1.9 3 7.6

1 2.5 4 10.2

74

CONTINÚA TABLA 4,1

1 𝟏

𝟐 3.8 6 15.2

>2 >5.1 >8 >20.3


4.5 SISTEMAS DE BOMBEO Y DE RECIRCULACIÓN DE LOS CAUDALES

IMPLEMENTADOS PARA ALIMENTAR AL MODELO

El Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas cuenta con una cisterna de capacidad (8.7 *

9.7 * 2.2) metros en donde se encuentra almacenada el agua, la cual se impulsa mediante

una bomba de 25 HP hacia el tanque elevado y de ahí se distribuye los caudales a los

distintos equipos y modelos con los que cuenta el laboratorio.

Una vez que el agua ha pasado por los modelos, esta pasa al canal de recirculación a través

del cual por gravedad regresa a la cisterna.

4.6 VERTEDERO TRIANGULAR Y SU CURVA DE CALIBRACIÓN PARA

MEDIR LOS CAUDALES UTILIZADOS EN LAS DIVERSAS CORRIDAS

HIDRÁULICAS DEL MODELO

Para medir el caudal que pasa por el modelo hidráulico físico se construyó e instaló en el

canal de recirculación del Laboratorio un vertedero triangular con un ángulo de Ɵ=60°, el

cual se calibró como se detalla en la figura 4.1:

75

FIGURA 4.2: CURVA DE CALIBRACIÓN DEL VERTEDERO TRIANGULAR Ɵ=60°


y = 6,4904x0,4154

R² = 0,9999

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50

ALTURA (cm)

CAUDAL (l/s)

Series1

Potencial (Series1)

76

CAPÍTULO 5

5. CORRIDAS (PRUEBAS) REALIZADAS EN EL MODELO HIDRÁULICO

FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN, PARA

DISTINTOS CAUDALES DE ANÁLISIS

5.1 INTRODUCCIÓN

Antes de realizar las distintas corridas se calibró el modelo y todos los equipos a utilizar; se

realizó varias corridas de prueba hasta poner el equipo a punto para poder continuar con las

corridas de análisis.

5.2 OBTENCIÓN DE CAUDALES DE ANÁLISIS

Para obtener la curva de duración del río Boquerón el Ing. Cristian Coello Granda hizo una

recopilación de estudios ya realizados para este proyecto por diferentes instituciones como

son:

INERHI, 1979, Tomo IV del Estudio de Factibilidad del Proyecto Tabacundo:

Estudios Hidrológicos de Derechos de Usos de Agua.

Plan Maestro de Electrificación, INECEL, 1980.

Estudio Hidrológico del INERHI.

Estudio Hidrológico PYPSA – UNICONSULT, 1983.

Información hidrológica del CNRH, 2002.

Informes y Oficios Asociados con las concesiones realiadas por la Agencia de

Aguas de Quito sobre los caudales del río La Chimba.

Proyecto Tabacundo. Tercera Misión Técnica de Asesoramiento. HCPP.

Estudio de Evaluación del Proyecto de Riego y Agua Potable “TABACUNDO –

PESILLO IMBABURA”.- Ing. Manuel Moreno.

ASTEC.-

Denominando a este estudio como “Estudios Hidrológicos Complementarios de las

Cuencas de los ríos que Aportan Para el Proyecto de Riego Cayambe – Tabacundo”.

77

FIGURA 5.1: CURVA DE DURACIÓN GENERAL DEL RÍO BOQUERÓN

Se hizo un análisis para establecer los caudales más representativos que serían analizados,

como se muestran en la tabla 5.1:

TABLA 5.1: CAUDALES ESTABLECIDOS PARA SU RESPECTIVO ANÁLISIS

Q % Q (l/s)

Q80 5.6

Q10 14.1

Qd 46.9


Se analizará Q 80 debido a que este caudal se utiliza para garantías normales que se

da para proyectos de riego.

Se analizará Q 10 debido a que el proyecto trata de captar la mayor cantidad de agua

posible.

Se analizará Q diseño debido a que la captación está diseñada para este caudal.

78

5.3 RESULTADOS DE LAS DISTINTAS CORRIDAS

5.3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q80

El caudal de análisis es Q80 = 5.6 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero

triangular de Ɵ=60°, ubicado en el canal de recirculación y calibrado como consta en el

Capítulo 4; todo este caudal es captado por la rejilla. Los diámetros de las partículas de

análisis se encuentran detallados en la tabla 5.2.

TABLA 5.2: DIÁMETROS DE LAS PARTÍCULAS EN ANÁLISIS

N° DIÁMETRO (mm) COLOR DE LAS

PARTÍCULAS

1 >2 plg Celeste

2 0.2 plg Anaranjado

3 3

8 plg Rojo

4 1 1

2 plg Amarillo

5 1 plg Verde

6 3

4 plg Azul


5.3.1.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE

Con el Q 80 además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información

tomada en la plataforma aguas arriba de la rejilla:

Medición de la velocidad con el tubo Pitot:

𝑽𝟐

𝟐𝒈 = 0.058 m

Donde:

V = Velocidad

g = Aceleración de la gravedad

79

𝑉2 = 1.14

V = 1.07 m/s

Medición del calado con el linnímetro:

y = 8 mm

Donde:

y = Calado en la plataforma de ingreso

CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE:

Fr = 𝑽

√𝒈∗𝒚

Donde:



V = Velocidad

Fr = 1.07

√9.81∗0.008

Fr = 3. 82 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO

5.3.1.2 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= >2 plg

TABLA 5.3: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø>2 plg

PARTÍCULAS DE ø > 2 plg

Q TRANSPORTE DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD TOTAL DE

MATERIAL DE

ANÁLISIS

LUGAR DE ANÁLISIS

Retenido en el cauce

Q % l/s SI NO kg % kg %

Q 80 5.625 X 2.886 100 1.621 100


80

FOTOGRAFÍA 5.1

MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,

AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80

Y ø=2 plg

Considerando que en el prototipo cuando se

tenga caudal de crecida este arrastrará

piedras completamente grandes, las cuales

se irán quedando a lo largo del cauce del río

a medida que el caudal disminuya; para el

caudal en análisis en el modelo, se puede

observar en la fotografía 5.1 este tipo de

material no se mueve, y además, todo el

caudal está siendo captado por la rejilla.


5.3.1.3 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 0.2 plg

Para este análisis se dejó el material de diámetro >2 plg, añadiendo 2.886 kg de material de

0.2 plg para observar así el comportamiento que tendrán estas partículas, obteniendo los

siguientes resultados:

Al pasar 10 segundos la primera partícula llega al inicio de la transición.

Al pasar 1 minuto 40 segundos la primera piedra de forma circular llega al final de

la transición.

TABLA 5.4: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2 plg

PARTÍCULAS DE ø=0.2 plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL

CANTIDAD

Retenido en el cauce Pasa por la rejilla

Q % l/s SI NO kg % kg % kg %

Q 80 5.625 X 2.886 100 1.621 56.168 1.265 43.832


81

FOTOGRAFÍA 5.2

MATERIAL RETENIDO EN EL

CAUCE, AGUAS ARRIBA DE LA

REJILLA, PARA Q 80 Y ø=0.2 plg

Un 56.2% del material analizado se

queda retenido en el cauce del río

aguas arriba de la rejilla, detrás de la

reja y el 43.8% que logró pasar por la

reja se quedan estancadas en la zona

de transición.

ELABORADO POR: SÁNCHEZ Del Pozo Erika

FOTOGRAFÍA 5.3 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA

PARA Q 80 Y ø=0.2 plg

A los 3 minutos de haber puesto las

partículas en el cauce del río, cierta

cantidad de estas se mantienen en la

zona de transición, que aparenta ser una

zona de estancamiento para las

partículas de este diámetro.


82

5.3.1.4 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 3/8 plg

TABLA 5.5: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8 plg

PARTÍCULAS DE ø=3/8 plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS

LUGARES DE ANÁLISIS

Retenido en el

cauce

Pasa por la

rejilla Queda sobre la rejilla

Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %

Q 80 5.625 X 4.891 100 3.005 61.439 1.657 33.879 0.229 4.682


FOTOGRAFÍA 5.4


AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA

Q 80 Y ø=3/8 plg

El caudal líquido de (5.6 l/s)

pasa todo por la rejilla.

De los 4.891 kg que se analizó,

un 3.005 kg se queda retenido

en el cauce del río debido a su

configuración.


83

FOTOGRAFÍA 5.5 MATERIAL QUE PASA POR LA


De los 4.891 kg que se analizó, un

1.657 kg logra pasar por la rejilla, gran

parte de este material se queda en la

curva del canal de conducción, el resto

de las partículas se queda por la mitad

de la transición, ninguna partícula

llega al desarenador.


FOTOGRAFÍA 5.6 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA



0.229 kg se queda sobre la rejilla, esto

se debe a la forma que tiene cada

partícula; ya sea redonda o en plancha.


84




Q

TRANSPORT

E DE

SEDIMENTO

S

CANTIDA

D TOTAL

DE

MATERIA

L DE

ANÁLISIS


Retenido en el

cauce

Pasa por la

rejilla

Queda sobre

la rejilla

Pasa aguas

abajo de la

rejilla

Q

% l/s SI NO kg % kg % kg % kg % kg %

Q

80

5.62

5 X

2.22

9

10

0

1.62

8

73.03

7

0.03

4

1.52

5

0.53

8

24.13

6

0.02

9

1.30

1


FOTOGRAFÍA 5.7



Q 80 Y ø=3/4 plg


1.628 kg que equivale a 73.04 % del

total se queda retenido en el cauce del

río debido a su configuración, como se

puede observar en la fotografía 5.8


85




0.034 kg logra pasar por la rejilla, gran

parte de este material se queda antes

de la curva del canal de conducción,

ninguna partícula llega al desarenador.

Las partículas que lograron pasar

tienen forma de plancha, lo que facilita

su paso por la rejilla.





0.538 kg se queda sobre la rejilla,

debido a que el espaciamiento de la

rejilla es menor que el diámetro de las

partículas en análisis.


86

FOTOGRAFÍA 5.10 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE

LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg


0.229 kg logra pasar aguas abajo de la

rejilla, esto debido a que son partículas

que tienen forma redonda y son

arrastradas con mayor facilidad.


5.3.1.6 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 1 plg

TABLA 5.7: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 plg

PARTÍCULAS DE ø=1 plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Retenido en el

cauce

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas abajo

de la rejilla


Q 80 5.625 X 2.871 100 2.665 92.825 0.159 5.538 0.047 1.637


87

FOTOGRAFÍA 5.11



REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg


2.665 kg que equivale al 92.83 %

del total se queda retenido en el

cauce del río debido a su

configuración, como se puede

observar en la fotografía 5.12



REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg

De los 2.871 kg que se analizó, 0.159

kg se queda sobre la rejilla, debido a

que el espaciamiento de la rejilla es

menor que el diámetro de las



88


LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg


0.047 kg logra pasar aguas abajo de

la rejilla, esto debido a que son

partículas que tienen forma redonda

y son arrastradas con mayor

facilidad.


5.3.1.7 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 1 ½ plg

TABLA 5.8: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 ½ plg

PARTÍCULAS DE ø=1 𝟏

𝟐plg

Q TRANSPORTE DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD TOTAL DE

MATERIAL DE

ANÁLISIS

LUGAR DE ANÁLISIS



Q 80 5.625 X 2.159 100 2.159 100


89

FOTOGRAFÍA 5.14



REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1 𝟏

𝟐plg


todo el material se queda retenido

en el cauce del río, debido a que la

energía del agua es mínima.


5.3.1.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q 80 (5.6 l/s)

TABLA 5.9: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 80 (5.6 l/s)

Retenido en el cauce 12.699 kg 76.24 %

Pasa por la rejilla 2.956 kg 17.75 %

Queda sobre la rejilla 0.926 kg 5.56 %

Pasa aguas abajo de la rejilla 0.076 kg 0.46 %

Total Analizado Q 80 16.657 kg 100 %


5.3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q10

El caudal de análisis es Q10 = 14.1 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero


Capítulo 4, todo este caudal es captado por la rejilla. Los diámetros de las partículas de

análisis se encuentran detallados en este capítulo en la tabla 5.2.


Con el Q 80 además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información


90


𝑽𝟐

𝟐𝒈 = 0.073 m

Donde:

V = Velocidad


𝑉2 = 1.43

V = 1.20 m/s


y = 18 mm

Donde:



Fr = 𝑽

√𝒈∗𝒚

Donde:



V = Velocidad

Fr = 1.20

√9.81∗0.018

Fr = 2.86 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO

91

5.3.2.2 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= >2 plg

Se analizaron partículas de diámetros entre 2 y 5 plg.

FOTOGRAFÍA 5.15 DESCRIPCIÓN GENERAL >2

plg

Para este caudal las partículas

que tienen forma redonda y la

velocidad que tiene el agua

las puede arrastrar

fácilmente, algunas pasarán

aguas debajo de la rejilla y

otras se quedarán sobre ésta.

Por otro lado las partículas

que tienen forma de plancha

no se mueven con facilidad,

la mayor parte de éstas se

queda en el cauce del río.


5.3.2.3 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 1 ½ plg

TABLA 5.10: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=1 ½ plg

PARTÍCULAS DE ø=1 𝟏

𝟐plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Retenido en el

cauce

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas abajo de

la rejilla


Q 10 14.01 X 2.159 100 1.565 72.49 0.348 16.12 0.246 11.394


92

FOTOGRAFÍA 5.16




𝟐plg

Un 72.5% del material analizado se

queda retenido en el cauce del río

aguas arriba de la rejilla.


FOTOGRAFÍA 5.17

MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA


𝟐plg

Como se puede observar las partículas

arrastradas por este caudal es mínima y

como podemos observar en la

fotografía 5.17 las partículas que se

quedaron sobre la rejilla ya no

pudieron avanzar hacia aguas abajo

debido a su forma.


93


LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 𝟏

𝟐plg

Las partículas que lograron avanzar

aguas abajo de la rejilla, son partículas

que tienen especialmente forma

redonda y son fáciles de mover. De

2.159 kg analizados 0.246 kg logró

pasar.


5.3.2.4 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 1 plg

TABLA 5.11: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 plg

PARTÍCULAS DE ø=1 plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Retenido en el

cauce

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas abajo

de la rejilla


Q 10 14.01 X 2.842 100 0.892 31.386 1.838 64.673 0.112 3.941


94

FOTOGRAFÍA 5.19



Q 10 Y ø=1 plg

El material analizado casi en su

totalidad es movido, y las pocas

partículas que se quedaron en el cauce

del río es debido a su configuración y

forma de partículas.



REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg

La mayor parte de partículas

analizadas se queda sobre la rejilla,

debido a que el espaciamiento entre

barrotes es menor que el diámetro

de las partículas y por la pendiente

que tiene la rejilla.


95

FOTOGRAFÍA 5.21

MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO

DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1

plg

Como se puede observar en la

fotografía 5.14 muy pocas

partículas han logrado pasar aguas

debajo de la rejilla, esto representa

un 3.9 % del total analizado.





Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Retenido en el

cauce

Pasa por la

rejilla Queda sobre la rejilla


Q 10 14.01 X 2.346 100 0.667 28.431 0.47 20.034 1.209 51.535


96

FOTOGRAFÍA 5.22



Q 10 Y ø=3/4 plg

Pocas partículas se han quedado en el

cauce del río, la velocidad que se tiene

para el caudal de análisis es suficiente

para arrastrar a estas partículas y las

pocas que se han quedado retenidas se

debe a la configuración del río.




Un 20 % del total de partículas

analizadas lograron pasar por la rejilla

debido a su forma, pero no lograron

llegar al desarenador se quedaron en el

canal de conducción.


97



De los 2.346 kg que se analizó, 1.209

kg se queda sobre la rejilla, debido a

que el espaciamiento de la rejilla es

menor que el diámetro de las






Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL DE

ANÁLISIS


Pasa por la rejilla Queda sobre la rejilla


Q 10 14.01 X 4.277 100 4.019 93.968 0.258 6.032


98

FOTOGRAFÍA 5.25



Q 10 Y ø=3/8 plg

Por la configuración del cauce del río

un 13.9 % de las partículas analizadas

se quedaron retenidas o atrapadas por

piedras que forman parte del cauce.




Todo el material que logró pasar por

la rejilla se queda en el canal de

ingreso a la transición, pocas son las

partículas que llegan al final de la

transición. Ninguna partícula logró

llegar al desarenador.


99



Las partículas que se quedaron sobre

la rejilla se deben en primer lugar a

su forma plana y otras porque se

fueron quedando una sobre otra.


5.3.2.7 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 0.2 plg



Q TRANSPORTE DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD TOTAL DE

MATERIAL DE

ANÁLISIS

LUGAR DE ANÁLISIS

Pasa por la rejilla


Q 10 14.01 X 3.104 100 3.104 100


100


REJILLA, PARA Q 10 Y ø=0.2 plg

Por la gran velocidad que se tiene las

partículas son arrastradas con facilidad y

pasan por la rejilla, el poco material que

se queda es por las características

propias del cauce que obligan al

material a quedarse, las partículas que

lograron pasar por la rejilla se

acumularon a lo largo de la parte

convexa del canal, algunas quedadas en

la transición y muy pocas llegaron al

desarenador.


5.3.2.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q 10 (14.1 l/s)

TABLA 5.15: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 10 (14.1 l/s)

Retenido en el cauce 7.814 kg 39.33 %






5.3.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q diseño

El caudal de análisis es Q d = 46.875 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero


Capítulo 4. Los diámetros de las partículas de análisis se encuentran detallados en este

capítulo en la tabla 5.2.

101


Con el Q diseño además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información



𝑽𝟐

𝟐𝒈 = 0.114 m

Donde:

V = Velocidad


𝑉2 = 2.24

V = 1.50 m/s


y = 42 mm

Donde:



Fr = 𝑽

√𝒈∗𝒚

Donde:



V = Velocidad

Fr = 1.50

√9.81∗0.042

Fr = 2.33 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO

102

5.3.3.2 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 3/4 plg



Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Pasa por la

rejilla

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas

abajo de la

rejilla


Q diseño 46.875 X 2.309 100 0.645 27.934 0.698 30.230 0.966 41.836



REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4 plg

Un 27.9 % de partículas logró pasar

por la rejilla hasta llegar a la

transición y poco a poco avanzaron

hacia el desarenador.


103



Todas las partículas avanzaron del

cauce del río, un 30 % se queda sobre

la rejilla.


FOTOGRAFÍA 5.31

MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE

LA REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4

plg

Debido a la fuerte velocidad que se

tiene algunas partículas sobrepasaron

la rejilla hacia aguas abajo.


104

5.3.3.3 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 3/8 plg



Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Pasa por la

rejilla

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas

abajo de la

rejilla


Q diseño 46.875 X 4.872 100 4.47 91.749 0.161 3.305 0.241 4.947




La fuerte velocidad hizo que ninguna

partícula que pasó por la rejilla se

quede en la curvatura del canal de

ingreso a la transición, todas las

partículas pasaron la transición,

quedándose en el desarenador y

algunas llegaron cerca de la

compuerta de lavado.


105



Ninguna partícula se quedó en el cauce

del río, un 3.3 % se quedó sobre la

rejilla, debido a su forma.


FOTOGRAFÍA 5.34


LA REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8

plg

Por la velocidad del agua algunas

partículas que se quedaron sobre la

rejilla fueron empujadas aguas debajo

de la rejilla.


106

5.3.3.4 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 0.2 plg



Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE ANÁLISIS


Pasa por la

rejilla

Pasa aguas abajo de la

rejilla


Q diseño 46.875 X 3.039 100 3.02 99.37 0.019 0.625



REJILLA, PARA Q diseño Y ø=0.2

plg

La alta velocidad y su pequeño

diámetro hace que las partículas

sean arrastradas con facilidad y

pasen por la rejilla, además esta

velocidad hizo que un 0.6 % de

material pase aguas debajo de la

rejilla, las partículas que lograron

pasar por la rejilla, en su totalidad

llegaron al desarenador y una

cantidad considerable llegó a la

compuerta de lavado.


107

5.3.3.5 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q diseño (46.9l/s)

TABLA 5.19: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q diseño (46.9 l/s)

Retenido en el cauce 0 kg 0 %






108

5.3.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA LAS PARTÍCULAS DE ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2

plg PARA Q diseño.

Para esta corrida se analizó conjuntamente los 6 diámetros disponibles, para así poder observar y analizar el comportamiento de las

diferentes estructuras que forman la captación del río Boquerón.

TABLA 5.20: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg,

ø=0.2 plg

PARTÍCULAS DE ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2 plg

Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE ANÁLISIS


Pasa por la

rejilla

Queda sobre la

rejilla


rejilla Retenido en el cauce del río

Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg % Kg %

Q diseño 46.875 X 22.641 100 6.667 29.447 8.111 35.824 4.72 20.847 3.143 13.882


109

FOTOGRAFÍA 5.36

MATERIAL QUE PASA POR LA


DIÁMETROS

Se analizó conjuntamente los 6

diámetros obtenidos de la

granulometría antes mencionada y se

pudo observar que al desarenador

ingresan con mayor facilidad las

partículas ø=3/4 plg, ø=3/8 plg,

especialmente las de ø=0.2 plg


FOTOGRAFÍA 5.37

MATERIAL QUE SE QUEDÓ SOBRE LA


DIÁMETROS

Como se puede observar en la

fotografía 5.31, a pesar de la alta

velocidad las partículas de diámetro

superior se van quedando algunas

sobre la rejilla e impiden el paso de las

partículas de menor diámetro que

podrían avanzar aguas debajo de la

rejilla.


110

FOTOGRAFÍA 5.38


LA REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS

LOS DIÁMETROS

Por la alta velocidad las partículas de

ø=1 1/2plg, ø=1 plg; son arrastradas

con mayor facilidad hacia aguas abajo

de la rejilla.


FOTOGRAFÍA 5.39


AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA,

PARA Q diseño Y TODOS LOS

DIÁMETROS

Las partículas de ø > 2 plg, algunas de

ellas por su forma son las que se

quedan retenidas en el cauce natural

del río.


111

CAPÍTULO 6

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A

LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS

6.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A

LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q80

6.1.1 CANTIDAD DE MATERIAL RETENIDO (%) EN EL CAUCE DEL RÍO

PARA Q 80

GRÁFICO N° 6.1 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL CAUCE DEL

RÍO PARA Q 80 (5.6 l/s)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Pa

rtíc

ula

s re

ten

ida

s en

el

cau

ce (

%)

Diámetros Analizados (plg)

ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

112

6.1.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q 80

GRÁFICO N° 6.2 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA REJILLA

PARA Q 80 (5.6 l/s)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2

Part

ícu

las

qu

e p

asa

n p

or

la r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø=0.2

113

6.1.3 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE QUEDA SOBRE LA REJILLA

PARA Q 80

GRÁFICO N° 6.3 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA SOBRE LA

REJILLA PARA Q 80 (5.6 l/s)


0

5

10

15

20

25

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2

Part

ícu

las

dep

osi

tad

as

sob

re l

a r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø=0.2

114

6.1.4 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE PASA AGUAS ABAJO DE LA

REJILLA PARA Q 80

GRÁFICO N° 6.4 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA



0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2

Part

´ciu

las

qu

e p

asa

n a

gu

as

ab

ajo

de

la r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø=0.2

115


LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q 10

6.2.1 CANTIDAD DE MATERIAL RETENIDO (%) EN EL CAUCE DEL RÍO

PARA Q 10

GRÁFICO N° 6.5 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL CAUCE DEL

RÍO PARA Q 10 (14.6 l/s)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

ícu

las

rete

nid

as

en e

l ca

uce

del

río

(%

)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

116

6.2.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q 10


PARA Q 10 (14.6 l/s)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

´ciu

las

qu

e p

asa

n p

or

la r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

117

6.2.3 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE QUEDA SOBRE LA REJILLA

PARA Q 10

GRÁFICO N° 6.7 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA SOBRE LA



0

10

20

30

40

50

60

70

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

ícu

las

dep

osi

tad

as

sob

re l

a r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

118

6.2.4 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE PASA AGUAS DEBAJO DE LA

REJILLA PARA Q 10

GRÁFICO N° 6.8 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA



0

2

4

6

8

10

12

ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

´ciu

las

qu

e p

asa

n a

gu

as

ab

ajo

de

la r

ejil

la (

%)


ø= >2

ø= 1 ½

ø= 1

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

119


LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño

6.3.1 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q

diseño


PARA Q diseño (46.9 l/s)


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

ícu

las

qu

e p

asa

n p

or

la r

ejil

la (

%)


CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA

REJILLA PARA Q diseño

ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

120

6.3.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA

REJILLA PARA Q diseño

GRÁFICO N° 6.10 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE

LA REJILLA PARA Q diseño (46.9 l/s)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2

Part

ícu

las

qu

e p

asa

n a

gu

as

ab

ajo

de

la r

ejil

la (

%)


ø= 3/4

ø= 3/8

ø= 0.2

121


LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño Y LOS 6

DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA GRANULOMETRÍA

6.4.1 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS DIFERENTES

ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE LA TOMA CAUCASIANA

PARA Q diseño Y LOS 6 DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA

GRANULOMETRÍA

GRÁFICO N° 6.11 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS DIFERENTES

ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE LA TOMA CAUCASIANA


0

5

10

15

20

25

30

35

40

Pasa por larejilla

Queda sobrela rejilla

Aguas abajode la rejilla

Retenido enel cauce

Par

t´ci

ula

s q

ue

pas

an a

las

dif

ere

nte

s e

stru

ctu

ras

(%)

Pasa por la rejilla

Queda sobre la rejilla

Aguas abajo de la rejilla


122

6.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS

HACIA LA REJILLA PARA: Q 80, Q 10 Y Q diseño



Del gráfico podemos comentar que cuando más caudal sea captado para el proyecto, más

son las partículas que ingresan por la rejilla, pero claro dependiendo del diámetro de la

partícula y del espaciamiento de la rejilla; algunas se depositan en el canal de conducción,

otras en la transición y otras en el desarenador.

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Part

ícu

las

qu

e p

asa

n p

or

la r

ejil

la (

%)

Caudal (l/s)

123

6.6 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE

6.6.1 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD

GRÁFICO N° 6.13 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD


1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 10 20 30 40 50

Velocidad (m/s)

Fro

ud

e

Caudal (l/s)

Caudal

Velocidad

124

6.6.2 FROUDE VS CALADO

GRÁFICO N° 6.14 FROUDE VS CALADO MEDIDOS AGUAS ARRIBA DE LA

REJILLA


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Fro

ud

e

Calado (mm)

125

6.6.3 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE EN FUNCIÓN DEL

COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (kg)

GRÁFICO N° 6.15 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS

(kg) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

3,93 3,08 2

12,669

7,814

0

2,956

8,044

8,135

0,926

3,653

0,859

0,076

0,358

1,226

An

áli

sis

de

pa

rtíc

ula

s (k

g)

N° FROUDE



Pasa por la rejilla


126

6.6.3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Con el Froude=3.93 se tiene una velocidad de 1.03 m/s y un caudal de 5.6 l/s (Q

80); se concluye que de un total de 16.657 kg de material analizado, 12.669 kg de

material es retenido en el cauce del río, 2.956 kg de material pasa por la rejilla,

0.926 kg de material se queda sobre la rejilla y 0.076 kg de material pasa aguas

debajo de la rejilla.


10); se concluye que de un total de 19.869 kg de material analizado, 7.814 kg de

material es retenido en el cauce del río, 8.044 kg de material pasa por la rejilla,

3.653 kg de material se queda sobre la rejilla y 0.358 kg de material pasa aguas

abajo de la rejilla.


diseño); se concluye que de un total de 10.22 kg de material analizado, no existe

material retenido en el cauce del río, 8.135 kg de material pasa por la rejilla, 0.859

kg de material se queda sobre la rejilla y 1.226 kg de material pasa aguas abajo de la

rejilla.

127

6.6.4 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (%) EN

FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE

GRÁFICO N° 6.16 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (%)

EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE


0

20

40

60

80

100

120

3,93 3,08 2

76,24

39,328

0

17,75

40,485

79,599

5,56

18,385

8,405

0,46 1,802

11,996

An

áli

sis

de

pa

rtíc

ula

s (%

)

N° FROUDE



Pasa por la rejilla


128

6.6.4.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS


80); se observó que de un total de 16.657 kg que equivale al 100 % de material

analizado, 76.24 % de material es retenido en el cauce del río, 17.75 % de material

pasa por la rejilla, 5.56 % de material se queda sobre la rejilla y 0.46 % de material

pasa aguas abajo de la rejilla.


10); se observó que de un total de 19.869 kg que equivale al 100 % de material

analizado, 39.33 % de material es retenido en el cauce del río, 40.49 % de material

pasa por la rejilla, 18.39 % de material se queda sobre la rejilla y 1.80 % de material

pasa aguas abajo de la rejilla.


diseño); se observó que de un total de 10.22 kg que equivale al 100 % de material

analizado, no existe material retenido en el cauce del río, 79.60 % de material pasa

por la rejilla, 8.41 % de material se queda sobre la rejilla y 12 % de material pasa

aguas abajo de la rejilla.

129

CAPÍTULO 7

7. GUÍA METODOLÓGICA PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS

ESTUDIANTILES CON EL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA

TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE

INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS

7.1 TEMA

ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE UNA TOMA

CAUCASIANA PARA Q diseño=46.9 lt/s

7.2 OBJETIVOS

7.2.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte del modelo respecto a

los sólidos del río en estudio, para Q diseño= 46.9 l/s

7.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar corridas hidráulicas para diferentes diámetros de partículas y caudales.

Cuantificar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte del modelo

de la toma caucasiana del río Boquerón.

7.2 MARCO TEÓRICO

7.2.1 TOMA CAUCASIANA O DE FONDO

Este tipo de obra de captación se implementa en el cauce del río donde se instala una rejilla

de fondo, ubicada de manera que los sedimentos continúen hacia aguas abajo del cauce

natural del río.

Esta captación es recomendable implementarla en ríos de montaña, debido a que sus

pendientes son fuertes y el arrastre de sedimentos finos es mínimo. Si el arrastre de

sedimentos gruesos es abundante, estos provocarán una obstrucción rápida de la rejilla y la

obra quedará totalmente inutilizada.

130

7.2.2 REJILLA

La rejilla está ubicada en forma transversal al cauce del río y los barrotes paralelos al

flujo del río, a esta estructura se le podrá dar diferentes inclinaciones, esto dependerá de las

condiciones del río, de los caudales líquido o sólido y características del proyecto.

7.2.3 GALERÍA

El agua que se ha captado a través de la rejilla, desciende a un canal colector, denominado

galería que tiene como función receptar y transportar el agua y el material sólido que se ha

captado a través de la rejilla hacia el desarenador; este canal es dimensionado de tal manera

que transporte el caudal para el que fue diseñado.

7.2.4 TRANSICIÓN

Las transiciones se diseñan cuando exista cambio entre una sección y otra; y debe procurar:

Minimizar las pérdidas localizadas de energía

Evitar ondas, particularmente las cruzadas

Eliminar excesos de turbulencia.

7.2.5 DESARENADOR

Esta estructura es necesaria para captar los sedimentos que han pasado por la rejilla, para

eliminar este material se implementa una compuerta de lavado.

7.2.6 COMPUERTA DE LAVADO DEL DESARENADOR

Hay que considerar que en época de lluvias al sistema ingresarán mayor cantidad de

sedimentos arrastrados desde el río, por lo tanto es necesario la implementación de una

compuerta de lavado, su función es la de evacuar rápidamente todo el material que ha

ingresado por la rejilla al sistema.

131

7.3 EQUIPOS Y MATERIALES

7.3.1 EQUIPO:

Modelo Hidráulico Físico

Vertedero triangular con un ángulo en el vértice Ɵ=60°,

7.3.2 INSTRUMENTAL

Linnímetro (A=±0.1 mm)

Tubo Pitot

Regla (A=±0.1 mm)

Balanza (A=±1 gr)

Recipientes

Probeta (A=±0.1 ml)

Cronómetro

7.3.3 MATERIALES

Agua

Sedimentos (Partículas Pintadas)

7.4 METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

Arrancar el sistema de bombeo, abrir las válvulas de ingreso al modelo, esperar que

el tanque de ingreso se llene y el agua empiece a fluir al modelo.

Regular la válvula hasta conseguir el caudal requerido, para esto se tendrá que

revisar la altura que se tenga en el vertedero triangular ubicado en el canal de

recirculación y finalmente buscar que caudal se tiene con esa altura en la curva de

calibración de este vertedero o mediante aforos volumétricos.

Una vez conseguido el caudal requerido se procede a tomar los datos de calado con

el linnímetro y la velocidad con la ayuda del tubo pitot.

Con estos datos se procede al cálculo del número de Froude, para determinar el tipo

de flujo.

Realizar corridas para distintos diámetros de partículas y para un determinado

caudal, que puede ser el caudal de diseño.

132

Se procede a recoger por separado las partículas que se han quedado en el cauce del

río, sobre la rejilla, que han pasado aguas abajo de la rejilla y finalmente las que han

pasado por la rejilla, para pesarlas.

Finalmente se debe tabular los resultados obtenidos para elaborar las gráficas de

análisis.

7.4.1 DATOS DE ENTRADA

Q diseño = Caudal de diseño (l/s)

b = Ancho de la rejilla (m)

L = Longitud de la rejilla (m)

S= Espaciamiento de la rejilla (cm)

t = Ancho de la pletina (cm)

e = Alto de la pletina (cm)

f = Coeficiente de obstrucción

7.4.2 ECUACIONES FUNDAMENTALES

Medición de la altura de velocidad con el tubo Pitot, aguas arriba de la

rejilla:

𝑽𝟐

𝟐𝒈 =

Donde:

V = Velocidad


𝑉2 =

V = m/s


y = mm

133

Donde:


Cálculo del Número de Froude

Fr = 𝑽

√𝒈∗𝒚

Fr = Tipo de flujo

Caudal

Q = 𝑽𝒐𝒍

𝒕

Donde:

Vol = Volumen

t = Tiempo

134

7.4.3 CUADRO DE DATOS


Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE ANÁLISIS


Pasa por

la rejilla

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas abajo

de la rejilla


Q diseño



Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL

DE

ANÁLISIS


Pasa por

la rejilla

Queda sobre la

rejilla

Pasa aguas abajo de

la rejilla


Q diseño



Q

TRANSPORTE

DE

SEDIMENTOS

CANTIDAD

TOTAL DE

MATERIAL DE

ANÁLISIS


Pasa por la

rejilla


rejilla


Q diseño


135

7.4.4 VERIFICACIÓN DE LA CURVA DE DESCARGA DEL VERTEDERO

TRIANGULAR Ɵ=60°

N° Altura Volumen Tiempo Q parcial

Q

experimental

(cm) (l) (s) (l/s) (l/s)

1

2

3

4


136

7.5 GRÁFICOS

7.5.1 REALIZAR UN GRÁFICO ESTADÍSTICO CANTIDAD DE MATERIAL (%)

QUE PASA POR LA REJILLA Y AGUAS DEBAJO DE LA REJILLA PARA Q

diseño= 46.88 l/s

7.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS

7.7 CONCLUSIONES

7.8 RECOMENDACIONES

7.9 AGRADECIMIENTO

7.10 BIBLIOGRAFÍA

137

CAPÍTULO 8

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 CONCLUSIONES

La implementación del modelo hidráulico-físico de la toma caucasiana del río

Boquerón en el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas de la UCE contribuirá a

complementar la enseñanza teórica con la práctica para los estudiantes del área de

hidráulica.

La modelación hidráulica de la captación realizada en el Laboratorio explica la

necesidad de construir una plataforma en el cauce del río aguas arriba de la rejilla

porque ayuda a que el agua sea captada de una manera bien distribuida, además

permite el paso libre de las partículas, evitando que se azolven antes del ingreso a la

rejilla.

Para realizar el diseño de una captación con rejilla de fondo se debe considerar cada

caso específico; para el presente estudio de la captación del río Boquerón el diseño

de la rejilla se realizó en todo el ancho del río, debido al poco caudal existente en el

río, a las altas velocidades y al ancho del río que es reducido; a pesar de esto, la

inclinación diseñada de la rejilla construida sea poco eficiente.

La composición granulométrica del cauce del río, fue estudiada para el diseño de la

captación. De este parámetro depende el diseño de las demás estructuras como el

desarenador, compuerta y canal de lavado.

Para el porcentaje de inclinación que tiene la rejilla, el caudal líquido de 46.9 l/s,

para el cual fue diseñado el proyecto, es captado en su totalidad; mientras que el

caudal sólido con un diámetro inferior al espaciamiento de la rejilla pasa hacia el

desarenador, una parte del material de diámetro mayor al espaciamiento de la rejilla

queda retenido sobre los barrotes lo cual obstruye el paso de las partículas hacia

aguas abajo del río.

Las partículas que han ingresado por la rejilla, la mayor parte se quedan retenidas

desde el canal de conducción hasta la transición, otras llegan a la cámara de

138

sedimentación y muy pocas son las partículas que avanzan hacia la compuerta de

lavado.

Esta investigación demuestra que a mayor velocidad, mayor caudal, menor Froude,

concluyendo que la fórmula aplicada para el cálculo del Froude es utilizada en

canales rectangulares en donde se tiene que el ancho del canal es dos veces mayor

que su altura y para este caso específico del río Boquerón el calado es muy pequeño

en comparación con el ancho del río.

139

8.2 RECOMENDACIONES

En el canal de conducción que ingresa a la transición se produce una gran

turbulencia y sobre elevación de la lámina de agua, a futuro podría dañar la

estructura, se recomienda ampliar el radio de curvatura del canal.

Para conseguir un desalojo eficiente del material sedimentado en el desarenador, se

recomienda cambiar la forma recta del talud que llega a la compuerta de lavado, por

una forma curva.

Antes de la construcción de obras hidráulicas de mediana y de gran importancia,

que requieran de alta inversión y que no son muy comunes, recomiendo se realice

estudios en modelos físicos para su respectivo análisis y posibles mejoras.

Uno de los factores limitantes en la presente investigación fue la capacidad de las

bombas; cuando esta se incremente recomiendo entonces hacer un análisis para

caudales mayores al de diseño y observar el comportamiento de las estructuras que

forman parte de la toma caucasiana del río Boquerón.

140

BIBLIOGRAFÍA

1. AGUA, A. N. (2010). Manual: Criterios de Diseños de Obras Hidraulicas para la

Formulacion de Proyectos Hidraulicos Multisectoriales y de Afianzamiento

Hidrico: http://www.ana.gob.pe/media/389716/manualdise%C3%B1os-1.pdf

2. BOLINAGA, J. (1979). Drenaje Urbano. CARACAS.

3. CASTRO, M. D; HIDALGO, X. B; POVEDA, R. F. (s.f.). (2016) Sobre la

Modelación Hidráulica en Obras de Saneamiento Básico:

http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/ecuador10/leo.pdf:

4. Chanson, H. (2002). Hidráulica del Flujo en Canales Abiertos. (E. A. H, Ed.)

Australia.

5. CHOQUEHUANCA CHAMORRO, J; PECEROS OSCCO, C; TAPIA JIMENEZ,

D; TORRES CARO, J; TORRES VARGAS, K; ZUÑIGA CUSI, K. (2011).

Trabajo Desarenador. Huancayo.

6. CHOW, V. T. (1983). Hidráulica de los Canales Abiertos (Segunda ed.). Mexico

7. CORCHO ROMERO, F; DUQUE SERNA, J. I. (2005). Acueductos: Teoría y

Diseño (Tercera Edición ed.). (L. D. Escobar, Ed.) Medellín, Colombia: Sello

Editorial.

8. FELICES, A. R. (2003). Modelos Hidráulicos. Investigación en Modelos Físicos y

Matemátios de Obras Hidráulicas:

http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/modelos_hidraulicos_de_

Rocha.pdf

9. GTZ. (1991). Taller de Microcentrales Hidroélectricas. (C. Fernández-Jáuregui, H.

Lauterjung, & M. Viaene, Edits.) Montevideo, Uruguay.

10. KROCHIN, S. (2010). Diseño Hidráulico (Tercera Edición ed.). Loja, Loja,

Ecuador: Editorial de la Universidad Técnica Particular de Loja.

141

11. PIZANO, S. I. (2002). Consideraciones Previas Obras Hidráulicas en Cuencas

Andinas:Obras de Toma:

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/laderas_andinas/paginas/

OBRAS%20DE%20TOMA.htm

12. SOTELO, G. (1995). Hidráulica General (Vols. 1- Fundamentos ). (G. N. Editores,

Ed.) México: Limusa S.A.

13. SUSTENTABLE), P. (. (2010). Tomas Tirolesas. (S. R. Públicas, Ed.):

http://www.senari.gob.bo/archivos/TOMAS_TIROLESAS.pdf

15. WEBER, I. J. (2003). Hidráulica del transporte de sedimentos. Cordoba.

16. Información del Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas.

17. Materia, información, planos del Consejo Provincial de Pichincha.

142

ANEXOS

143

ANEXOS N°1.- VISITA DE CAMPO AL PROYECTO DE RIEGO

CAYAMBE-PEDRO-MONCAYO

144

Fotografía N°1: Visita técnica al lugar donde está siendo implantada la toma caucasiana en

el río Boquerón, con personal técnico del Consejo Provincial, el señor tutor del trabajo de

investigación, docente de la UCE, personal del laboratorio, estudiante que realizó la

investigación y persona quien construiría el modelo.

Fotografía N°2: Vista general de la captación del río Boquerón, afluente de ríos

amazónicos, del cual se captará 1.5 m3/s para dotar de agua para riego a los cantones Pedro

Moncayo y Cayambe.

145

Fotografía N°3: Hasta el momento de la visita realizada el 13 de agosto de 2016 se

encontraba construida la transición, el desarenador y el vertedero hidrodinámico.

Fotografía N°4: Prototipo de desarenador, taludes, compuerta de lavado y vertedero

construidos para conformar la captación del río Boquerón.

146

ANEXOS N°2.- VISITA POR PARTE DE LOS SEÑORES DEL

CPP AL LABORATORIO DE INVESTIGACIONES

HIDRÁULICAS

147

Fotografía N°5: Explicación de la tesista y su tutor al personal del Consejo Provincial de

Pichincha sobre el proceso llevado a cabo para la construcción del modelo hidráulico de la

toma caucasiana del río Boquerón.

Fotografía N°6: Corrida de prueba sobre el modelo en visita de los técnicos del Consejo

Provincial de Pichincha.

148

ANEXOS N°3.- AFORO PARA OBTENER LA CURVA DE

CALIBRACIÓN DEL VERTEDERO TRIANGULAR

149

Fotografía N°7: Medición de volúmenes y de tiempos para tabularlos y formar la curva de

calibración del vertedero triangular, ubicado en el canal de recirculación.

Fotografía N°8: Medición de caudales volumétricos para aforar el vertedero de apoyo del

modelo.

150

Fotografía N°9: Curva de calibración del vertedero triangular.

151

ANEXOS N°4.-CALIBRACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO

FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN

152

Fotografía N°10: Primeras corridas de pruebas realizadas sobre el modelo para determinar

posibles mejoras a realizar para las posteriores corridas.

Fotografía N°11: Corrección de fugas encontradas en las estructuras de lavado, ubicada a

continuación del desarenador.

153

Fotografía N°12: Pruebas de construcción realizadas sobre el vertedero hidrodinámico

Creager.

154

ANEXOS N°5.-PREPARACIÓN DE MATERIAL

CARACTERÍSTICO PARA RESPECTIVAS CORRIDAS

155

Fotografía N°13: Proceso de lavado de las partículas traídas del lecho del río Boquerón,

para realizar la granulometría.

Fotografía N°14: Proceso de tamizado realizado en el laboratorio de ensayo de materiales

de la UCE, para obtener los diferentes diámetros de análisis.

156

Fotografía N°15: Después de haber determinado los distintos diámetros de estudio, se

procedió a pintar cada partícula de un color distintivo.

157

ANEXOS N°6.-CORRIDA REALIZADA PARA Q diseño=46.9 l/s

Y TODOS LOS DIÁMETROS OBTENIDOS.

158

Fotografía N°16: Colocación de todos los diámetros de partículas para analizar su

comportamiento con un caudal de 49.6 l/s.

Fotografía N°17: Medición de la altura de velocidad, calado, aguas arriba de la rejilla, para

después hacer el cálculo del número de Froude.

159

Fotografía N°18: Material retenido sobre la rejilla, que ha pasado aguas abajo de la rejilla.

Fotografía N°19: Partículas que han ingresado por la rejilla y han avanzado hacia el

desarenador.

160

ANEXOS N°7.-PLANO

TEMA: “MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA … · rÍo boquerÓn en el laboratorio de...

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