Toma Caucasiana

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FISICAS Y MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO HIDRÁULICO II

TEMA:

DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS DE UNA TOMA DE FONDO, (TIROLESA 0

CAUCASIANA)

NOMBRE: OTAVALO ALBA JOSÉ HOMERO

SEMESTRE: SEXTO-TERCERO

PROFESOR: ING. SALOMÓN JAYA

FECHA DE ENTREGA: 24/01/2013

DISEÑO HIDRÁULICO II 2013

I. INTRODUCCIÓN

El principio de este tipo de obra de toma radica en lograr la captación en la zona inferior de escurrimiento. Las condiciones naturales de flujo serán modificadas por medio de una cámara transversal de captación (ver Figura 1).

Esta obra puede ser emplazada al mismo nivel de la solera a manera de un travesaño de fondo. Sobre la cámara de captación se emplazará una rejilla la misma que habilitará el ingreso de los caudales de captación y limitará el ingreso de sedimento. El material que logre ingresar a la cámara será posteriormente evacuado a través de una estructura de purga.

La obra de toma en solera se denomina también azud de solera u obra de toma tipo Tirolesa y puede ser empleada en cursos de agua con fuerte pendiente y sedimento compuesto por material grueso.

Figura 1: Toma Tirolesa vista de planta y corte

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http://1.bp.blogspot.com/_FJZh1gy3MuM/TR5-r9pSkYI/AAAAAAAAArU/SOa311lY3_Q/s1600/11.gif


Este tipo de obra de toma ofrece como ventajas, la menor magnitud de las obras civiles y ofrece menor obstáculo al escurrimiento. Por otro lado, no juega un papel fundamental la ubicación de la obra, tal como sucede en las obras de toma con azud derivador.

En el diseño de una toma tirolesa es necesario considerar los siguientes criterios:

Esta obra principalmente se adecua a ríos de montaña, donde las pendientes

longitudinales son pronunciadas que pueden llegar al 10 % o a veces más.

Funcionan para cauces que traen avenidas de corta duración y que llevan gran

cantidad de piedras.

En causes tienen pequeños contenidos de sedimentos finos y agua relativamente

limpia en época de estiaje.

La rejilla es la parte más baja del coronamiento de la presa que cierra el rió, cualquiera

que sea el caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Debido a esto la rejilla

puede ubicarse a cualquier altura sobre el fondo de manera que la altura de la azud

puede llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 a 50 cm. Esto

permite que las piedras pasen fácilmente por encima del azud con lo cual se suprime la

costosa compuerta de purga o esclusa de limpieza.

La crecida de diseño se recomienda a un periodo de retorno de 50 años, dependiendo

de la importancia aguas abajo.

La hidráulica del sistema diferencia dos estados de flujo a saber:

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II. DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS

2.1 DISEÑO DE LA REJILLA DE FONDO

ESQUEMA:

DATOS:

Diámetro Representativo piedra = 0,4 m

Peso especifico del material de fondo (γs)= 2.5 (T/m3)

Espesor de barrotes (t) = 0.95 cm

Espaciamiento entre barrotes (s)= 5cm

Inclinación de la rejilla con respecto a la horizontal (i)= 20%

Caudal de Diseño (Qd) = 1.88 m3/s

Factor de Obstrucción (f) = 15 %

Ancho del Río= 18 m

ESQUEMA DE LA REJILLA

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P=2.88 m

REJILLA

3036 msnm


ANCHO (B)

B= 0.313∗Q

ck3 /2∗L3/2

Donde:

B=anchode larejilla

Q=caudal dedise ñ o( m3

s)

0.313

ck32

=expresi ónque podemos encontrar suvalor utilizando latablaN º 8¿

L=Largo de la rejilla(m)

0.313

ck32

=1,799V alor que esta en funció ndes y f

B=1,88∗1,799

L3 /2=3,382

L3 /2

Valor que se escoge en funci ónde lalongitud de las varillas comerciales tratandodeevitar desperdicios del material .

Para locual nos valemos deuncuadrode Kroc h∈.Tomamos una inclinación de 20% y 5 cm de apoyo a cada lado

Nº PEDAZOS LONG C/PEDAZO PROYECCIÓNHORIZONTAL

L L3/2

4 1,5 1,47 1,37 1,60355 1,2 1,18 1,08 1,1224

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LARGO (L)

ANCHO (B)


B=1,88∗1,799

L3 /2= 3,382

1,1224=3.00m

Dimensiones de la rejilla

CARGA DE ENTRADA (Ho)

Q=2.55C∗k∗l∗B∗ 2√Ho

Donde :

c=coeficientede contracci ónque varí aen funci ónde la dsiposici ónde loshierros

Q=caudal dediseñ o

k=coef . quereduce el á rea totalená reaefectiva disponible parael paso del agua

Q=caudal dediseñ o

B=anchode larejilla

L=Largo de la rejilla(m)

k=(1−f ) ss+t

k=(1−0,15 ) 55+0,95

=0,714

Paraencontrar el valor dec se nesecitacalcular el valor del espesordel barrote(e)cuyo valor est á en funci ónde laresistencia de las varillas .

Para locual primerocalculamos el peso del s ó lido representativodel r í o

datos :d=0,4m; γ=2,5 t /m3

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L= 1,12 m

B= 3,00 m


V= π∗D 3

6= π∗0,43

6=0,0335m3

P=V∗γ=2,5∗0,0335=0,0838T

MOMENTO EN CADA BARROTE

M=P(L+0,05)

8=0,0104 ( L+0,05 )T−m

Momentoresistente necesario

W =MS

=0,0104 ( L+0,05 )

0,04=0,262 (L+0,05)

Nos valemos del cuadro de (KROCHIN) para escoger el valor de (e)

L L+0,05 W nec t (cm) e(cm) W pletina1,37 1,42 1,54 0,95 3,18 1,601,08 1,13 1,22 0,95 3,18 1,600,88 0,93 1,01 0,95 2,54 1,02

es=3,18

4=0,795<4

El valor de c depende de la inclinación de la rejilla con la horizontal y está dado por C= Co -0,325 i

Co= 0,6 para e/s >4Co= 0,5 para e/s <4

Entonces:

C= 0,5-0,325(0,2)

C= 0,435

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Finalmente tendremos el valor de Ho

Ho=( Q2,55∗C∗K∗L∗B )

Ho=( 1,882,55∗0,435∗0,714∗1,12∗3 )

2

=0,50m

Total de barrotes:

Tomando una separación de 0.04 m y un ancho de los barrotes de 0.0095 m, el número de

barrotes será:

¿barrotes= 30.04

−1=74

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2.2 DISEÑO DEL AZUD

ESQUEMA

Perfil Tipo Creager

Datos de nuestra obra:

Qcr=28 m3/s

Qd= 1.88 m3/s

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2,88 m


L= 18 m

C= 2,21

P= 2,88 m

RESOLUCIÓN:

Ecuación de descarga para el perfil seleccionado:

Q=C∗L∗H 01.5

Dónde:

Q= el caudal de crecida

C= coeficiente de descarga variable

Ho= carga sobre el vertedero.

H 0=( 282.3∗L )

1/1.5

H 0=( 282.21∗18 )

1/1.5

H 0=0,79m

Según Bazin tenemos que d = 0.69 Ho, donde d es la altura de agua sobre la cresta del

vertedero.

Donde Vh es la velocidad horizontal del agua sobre la cresta.

La velocidad vertical producida por la acción de la gravedad, está dada por la expresión:

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Siendo y la distancia vertical de recorrido.

También se sabe que:

Se obtiene la ecuación de la trayectoria como

Y reemplazando

Se tiene que

Bradley comprobó que:

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Que corresponde con la ecuación de la parte inferior de la lámina libre de agua. Más tarde se

comprobó que K y n no son constantes, sino funciones de la velocidad de aproximación y de

la inclinación del paramento aguas arriba. Para una primera aproximación, se puede calcular el

perfil del azud basándose en tablas como la calculada por Ofizeroff, la cual ha sido calculada

para Ho=1.0 m., o sea que para un Ho diferente, las abscisas y ordenadas deben ser

multiplicadas por Ho

PENDIENTE DEL PARAMENTO K n

VERTICAL(nuestro caso) 2,000 1,850

3 a 1 1,936 1,836

3 a 2 1,939 1,810

3 a 3 1,873 1,776

Coordenadas de perfil Creager-Ofizeroff. Ho = 1.0 m.

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Si Ho es diferente, el coeficiente C debe ser corregido (ver Tabla 3)

Valores de corrección según Ofizeroff para paramento vertical

Para nuestro caso no vamos a corregir el valor de C porque no varía mucho así es que

multiplicaremos por el valor de H d=0,79ma los valores tabulados en la tabla 2.

Valores para nuestro caso.

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x LAMINA INFERIOR AZUD LAMINA SUPERIOR0 0,19152 0,19152 -1,263120,1 0,05472 0,05472 -1,220560,2 0,01064 0,01064 -1,173440,3 0 0 -1,12480,4 0,01064 0,00912 -1,067040,6 0,09576 0,0912 -0,94240,8 0,23256 0,22344 -0,776721 0,40584 0,38912 -0,57761,2 0,6232 0,59736 -0,332881,4 0,89832 0,8588 -0,04561,7 1,39232 1,32696 0,4636

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

PERFIL DEL PROYECTO

LAMINA INFERIORPERFIL AZUDLAMINA SUPERIOR

abscisas

orde

nada

s

2.3 MURO DE ALA

L a carga de agua sobre el azud es de 0,80 m pero por seguridad asumiremos 1 m y un 30 %

más

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Ho = 1 +0,3*1= 1,30 m

ESQUEMA

2.4 DISEÑO DE LA GALERIA

ESQUEMA:

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AZUD

MURO DE ALA


DATOS

Qcr=28 m3/s

Qd= 1.88 m3/s

L= 1,12 m

P= 2,88 m

B= 3 m

Qx=xQB

=x1,88

3=0,627 x

Velocidad en el fondo de la galería

Vf =3∗2√g∗s=3∗2√9,81∗0,04

Vf =1,88≅ 2m /s

Vo=1ms

valor impuesto

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P=2.88 mGALERIA

2700 msnm

L


Vx=Vf −VoB

x+1=2−13

x+1=0,33 x+1

Debemos evitar un resalto hidráulico al final de la galería para lo cual el flujo deberá ser

subcritico.

El calado es igual

d= QL∗V

= 1,881,12∗2

=0,839m

V2/g*d= 0,351367781 < 1 FLUJO SUBCRITICO

Asumimos un coeficiente de rugosidad igual a n= 0,013

El cálculo se realiza usando tablas para lo cual dividimos el ancho B en 10 tramos de 0,30 m

∆ x=0,3m

METODO DE ZAMARIN x (m) Q(m3/s) V(m/s) A(m2) d (m) P (m)0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,120,30 0,19 1,10 0,17 0,15 1,430,60 0,38 1,20 0,31 0,28 1,680,90 0,56 1,30 0,43 0,39 1,891,20 0,75 1,40 0,54 0,48 2,081,50 0,94 1,50 0,63 0,56 2,241,80 1,13 1,60 0,71 0,63 2,382,10 1,32 1,70 0,77 0,69 2,502,40 1,50 1,80 0,84 0,75 2,612,70 1,69 1,90 0,89 0,80 2,713,00 1,88 2,00 0,94 0,84 2,80

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R C R^(4/3) J hf ∑hf V2/2g

0,00 0,00 0,00 0,0000 0,0000 0,0510,12 50,16 0,06 0,00401 0,0012 0,0012 0,0620,19 53,99 0,11 0,00265 0,0008 0,0020 0,0730,23 55,87 0,14 0,00236 0,0007 0,0027 0,0860,26 57,00 0,16 0,00233 0,0007 0,0034 0,1000,28 57,77 0,18 0,00241 0,0007 0,0041 0,1150,30 58,32 0,20 0,00254 0,0008 0,0049 0,1300,31 58,74 0,21 0,00271 0,0008 0,0057 0,1470,32 59,07 0,22 0,00290 0,0009 0,0066 0,1650,33 59,34 0,23 0,00312 0,0009 0,0075 0,1840,34 59,55 0,23 0,00336 0,0010 0,0085 0,204

xd+∑hf+V2/2

g COTA0,00 0,051 1,0010,30 0,215 0,8370,60 0,355 0,6950,90 0,476 0,5761,20 0,583 0,4691,50 0,678 0,3741,80 0,765 0,2872,10 0,844 0,2082,40 0,918 0,1342,70 0,987 0.0653,00 1,052 0

COTA SUPERIOR DE LA REJILLAEspesor de los barrotes= 3,18 cmInclinación de la Rejilla= 22,4 cmAltura de seguridad= 15 cm

40,58 cm

Altura total de la rejilla= 105,2+ 40,58 = 145,78 cm ≅ 1,50m

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Dimensiones de la obra

2.5 CANAL QUE CONECTA A LA REJILLA Y EL DESARENADOR

Para lo cual nos valdremos del programa H canales

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2.6 DISEÑO DEL DESARENADOR

DATOS:

Qd= 1.88 m3/s

El tamaño de las partículas de arena que deben depositarse es de 0,35 mm.El canal que llega al desarenador tiene una sección rectangular con un ancho b=1,0m, un calado y1= 0,89 m

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Adoptamos una velocidad de agua en el desarenador igual a:

V=0.3ms

(varia entre 0.1−0.4ms)

Entonces el la sección transversal del desarenador será:

Datos:Q=1,88m3/ s

V=0.3m /s

A=QV

A=1,880.3

=6,27m2

Calculamos las dimensiones del canal del desarenador que tendrá una sección trapezoidal.Datos:A=6,27m2

m=0.5

relacion :ancho

alto=2, entonces : y 2=b2/2

A=(b2+m∗y 2 )∗ y2Reemplazando y simplificando tenemos:

6,27=2.5 y22

y2=1 .58m≅ 1.60mb2=3 .20mT 2=4,34 m

Calculo de longitud del desarenador:

Utilizamos la fórmula de Sokolov

L=1.18∗y2∗V

W

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T 2

Y2

b2

m


Dónde:y2= calado del desarenadorv= velocidad de diseño del desarenadorw= velocidad de sedimentación que está en función del tamaño de las partículas (TABLA Nº 9 KROCHIN)

Datos:y2=1 .60m

V=0.3ms

W =0.0378ms

(tabla)

L=1.18∗1,60∗0.30.0378

L=14,98≅ 1 5m

Calculo de la longitud de transición canal de entrada –desarenador

En la superficie:

L= T 2−T 12∗tan 12.5

Datos:T2= 4,34 mT1= 1,00 m

L= 4,34−12∗tan 12 .5

=7,53≅ 7,60m

Calculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero.

Ancho del vertedero de paso Q=Mb H 3/2 ecuaci ónbasica devertederos

Tomaremos un H= 0.25 m por las siguientes razones:M= Varía entre 1.8-2 tomamos el mayor 2V= 1m/s máxima velocidad en el vertedero para no causar mucha turbulencia en el desarenadorDatos:

1,88=2∗bv∗0.253 /2

Q=1,88m3/ SM=2H=0.25m

bv=7,52m anc hodel vertedero

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Como el espejo de agua del desripiador (T2) es mucho menor que el ancho del vertedero se ubicará a lo largo de una curva circular al final de la cual estará la compuerta de lavado.Esquema:

Tenemos que:bv= π∗R∗α180

yR−T 2

R=cos α

Despejamos R de la primera ecuación, reemplazamos en la segunda y reducimos la expresión y tenemos:

α1−cos α

=180∗bvπ∗T 2

Reemplazamos los valores y solucionamos por aproximaciones α

1−cos α=180∗7,52

π∗4,34

α1−cos α

=99,277

α=77,10

Entonces el radio R será:

R=180∗bvπ∗α

R=180∗7,52π∗77,1

=5,59m

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bv

R

T2DESARENADOR

VERTEDERP DE PASO

L

∝


La longitud de la proyección longitudinal del vertedero será

L=R∗sin α=5,59∗sin 77,1=5,45m≅ 5,50m

Finalmente la longitud total del desarenador será igual a:

LT=Ldesarenador+Ltransici ón+Lproy .longvertedero¿

¿

LT=15+7,6+5,50=28,10m

Por facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente del 5%, está pendiente comienza al finalizar la transición.

La caída del fondo será: Y=J∗LT

Y=0.05∗28,10=1,405m

2.7 DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIEZA DEL DESARENADOR

ESQUEMA

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J= 5%

1,405 m

1.60 m


Área:

A=p∗bc=1∗0,5→ A=0,5m2

Perímetro mojado:

P=2∗p+bc=2∗1+0,5→ P=2 ,5m

Radio Hidráulico:

R= AP

= 0.52 ,5

→R=0,2m

Velocidad:

v=QA

=1,880,5

→v=3,76m / s

Pendiente:

J= v2n2

R43

=3,762∗0.0152

0.243

J=0.027=¿2,72 %

Comprobar si el caudal de diseño pasa por la compuerta

Partiendo de:

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aH

=12=0,5

De tabla:

a/H E0.00 0.6110.10 0.6150.15 0.6180.20 0.6200.25 0.6220.30 0.6250.35 0.6280.40 0.6300.45 0.6380.50 0.6450.55 0.6500.60 0.6600.65 0.6750.70 0.6900.75 0.7050.80 0.7200.85 0.7450.90 0.7800.95 0.8351.00 1.000

Interpolando tenemos que: e = 0.645

Descarga de la compuerta:

Q=K∗e∗a∗bc∗√2g (Z+v2

2 g−(e∗a))

Coeficiente de compuerta libre: K = 0.96 (Asumimos)

→Q=0.96∗0.645∗1,00∗0 ,50∗√2∗9.81(3+3,762

2∗9.81−(0.645∗1,00))

→Q=2,40m3

s Pasa el caudal requerido por que es superior al caudal de diseño

ESQUEMA GENERAL DE LA OBRA

Las dimensiones de cada una de las obras están en su respectivo cálculo

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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RIO

COTA = 3036msnm

AZUD

REJILLA Y GALERIA

MURO DE ALA

DESARENADOR

VERTEDERO CIRCULAR

COMPUERTA DE LIMPIEZA

RIO


Cuando tenemos un caudal superior de 15 m3/s se recomienda dividir el desarenador

en dos o más cámaras.

EL Desarenador es una estructura hidráulica muy importante que disminuye la

turbiedad del agua captada con esto disminuimos perjuicios de equipos y estructuras

aguas abajo.

Para garantizar la sedimentación de las partículas de arena debemos tomar

velocidades entre 0.1-0.4 m/s.

L a sección trapezoidal del desarenador es hidráulicamente más eficiente y más

económica y facilita el lavado por que las partículas se acumulan al centro y fácilmente

son arrastrados cuando se abre la compuerta de limpieza.

con el propósito de no causar molestias al usuario cuando se hace labores de limpieza

es necesario construir un canal directo esto no permite la suspensión del servicio.

En el trazado del perfil del azud se eligió el tipo Creager por sus ventajas al no

soportar presiones negativas sobre su perfil.

Para el diseño del azud y los muros laterales se debe tomar el caudal de crecida para

evitar cualquier inconveniente cuando se produzcan crecidas.

Para el diseño del desripiador debemos procurar que la pendiente del fondo sea

superior al 2 % para que se produzca el arrastre de los sólidos que pasan la rejilla.

Al igual la compuerta de purga del desripiador, sus dimensiones deben ser tal que

descarguen en corto tiempo el caudal captado con esto aseguramos el buen

funcionamiento del mismo.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.tecnaingenieros.com/ingenioacademico/images/pdf/capitulo%20VI.pdf VEN TE CHOW, “Hidráulica de canales”

Ing. Salomón Jaya, “Anotaciones de clase”

SVIATOSLAV KROCHIN, “Diseño Hidráulico”

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http://www.tecnaingenieros.com/ingenioacademico/images/pdf/capitulo%20VI.pdf

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