INGENIERIA CIVIL

ESTRUCTURA DE REGULACION

“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”

CURSO:

HIDRAULICA APLICADA

INGENIERO:

Ing. ARBULU RAMOS, JOSE.

Lambayeque – Perú

2015

Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo”

IN

GEN

IERÍA CIVIL

HIDRAULICA APLICADA

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

ESTRUCTURAS DE REGULACION

I. RETENCIÓN

1. GENERALIDADES

2. CRITERIOS DE DISEÑO

3. DISEÑO HIDRÁULICO

II. PARTIDORES

1. GENERALIDADES

2. CRITERIOS DE DISEÑO

3. DISEÑO HIDRÁULICO

HIDRAULICA APLICADA

INTRODUCCIÓN

La agricultura en el país ha tenido un desarrollo sostenido debido a la incorporación de

más y nuevas tecnologías, aplicadas principalmente a los sistemas de riego. Las que

basan su fundamento, en tener un mayor control en el agua que llega a los predios,

por medio de mejoramientos en la conducción, distribución y aplicación del agua a los

cultivos.

Debido a esta problemática en el mejor aprovechamiento del recurso, nace la

necesidad de cuantificar el agua en cada una de las etapas desde que es captada en

bocatomas en los ríos, conducida por canales y distribuida a los predios por obras de

riego, como lo son compuertas, retenciones y marcos partidores.

Es por este motivo el cual se enfoca este estudio, en el uso de estructuras de

retención, como son: retenciones y de marcos partidores,

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ESTRUCTURA DE REGULACION

Son aquellas que nos permite dividir el canal en dos o más caudales para un

mejor aprovechamiento del agua; entre ellas tenemos:

I. RETENCIONES

1. GENERALIDADES

Cuando se calculan tomas de canales o tomas en parcelas, se fijan valores de tirantes que deben mantenerse para que dichas estructuras funcionen correctamente, cuando el canal conduce el gasto de diseño se mantiene el tirante, pero una vez que baja el gasto, es necesario mantener ese tirante mediante el uso de retenciones. Una retención consta de las siguientes partes:

Transición de entrada Cuerpo de la retención que se compone de una parte central móvil constituida por

compuertas o por tablones y una parte fija, o vertederos a los cuales también se les puede adicionar tablones. La parte móvil puede estar formada de tablones cuando se trata de caudales menores a 2 m3/seg y compuertas cuando el caudal es mayor a 2 m3/seg.

Transición de salida.

Ilustración 1: Partes de una retención en forma esquemática

Las retenciones son estructuras pequeñas en concreto como las mostradas en la ilustración 2. La apertura de la retención está conformada por una compuerta o tablones deslizantes para obtener el nivel de agua deseado aguas arriba de la estructura; a los lados de la compuerta o de las guías de los tablones se provee de unas paredes que puedan servir para el flujo de excesos, de esta manera las bancas del canal quedan protegidas de un desbordamiento.

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Ilustración 2: Pequeña estructura de retención

2. CRITERIOS DE DISEÑO:

El espaciamiento de las retenciones a lo largo de un canal se realiza para mantener las elevaciones de agua requeridas por las derivaciones aguas arriba. Pendientes fuertes de los canales usualmente requieren de espaciamientos cortos entre retenciones.

Las retenciones son diseñadas para contrarrestar las fuerzas hidráulicas impuestas por el agua almacenada en la cara de la pared aguas arriba y la ausencia de agua en el lado aguas abajo. La estructura debe ser estable contra el deslizamiento y volcamiento. Como se muestra en la ilustración 3, la fuerza de deslizamiento F es debida a la presión hidrostática sobre el lado aguas arriba de la

estructura y es dada por: por unidad de ancho del canal. En esta ecuación,

Y1 es la profundidad del agua sobre el lado de arriba y es el peso específico del agua. Las fuerzas

que resisten el deslizamiento son las fuerzas de fricción entre la estructura de retención y el suelo de la fundación y es dado por: R = μ W, donde μ es el coeficiente de fricción entre estructura y suelo y W es el peso de la estructura. Para la estabilidad contra deslizamiento se debe cumplir que  R≥F.

Ilustración 3: Fuerza de presión hidrostática en estructuras de retención

La fuerza lateral hidrostática también tiende a volcar la estructura en el pie aguas abajo (punto "c" en la ilustración 3). Para estabilidad contra volcamiento, la longitud del delantal aguas abajo debe ser suficiente para que el momento resistente (Mr) sea mayor que el momento de volcamiento (Mv).

Momento resistente, Mr = W.Ld

Momento de volcamiento,Mv=F.Y1/3Para seguridad contra volcamiento Mr > Mv

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Una segunda función del delantal aguas abajo es disipar la turbulencia causada por la lámina de agua que pasa sobre los listones o que fluye por la compuerta parcialmente abierta. También, la longitud del delantal en conjunto con las proyecciones de las paredes dentro del terraplén provee suficiente recorrido de las líneas de flujo para prevenir que el suelo de la fundación sea removido por la filtración del agua adyacente a la estructura. La longitud de percolación es calculada por la teoría de infiltración de Bligh y Lane. Esta teoría dice que la erosión del subsuelo debido a las fuerzas de filtración comienza en el pie aguas abajo (punto "c") y progresivamente avanza hacia arriba; este fenómeno es llamado "tubificación" el cual es el responsable muy frecuente de las fallas de las fundaciones.

Para que una fundación sea segura contra tubificación, el gradiente de energía de la filtración en la salida debe ser menor que un gradiente hidráulico permisible para el material del suelo. Este gradiente permisible o de salida para diferentes suelos es dado en la tabla 1.

Tabla 1: Gradiente Seguro de Salida según teoría de Bligh

TIPO DE SUELO GRADIENTE SEGURO DE SALIDA (hs)

Mezcla de arena y grava 1 en 9 a 1 en 5

Arena fina 1 en 8

Arena media 1 en 15

Arena cuarzosa 1 en 12

La mínima longitud de filtración, Ls, para prevenir erosión del subsuelo es calculada de la relación, gradiente hidráulico de la filtración sub-superficial menor o igual al gradiente hidráulico seguro a la salida, o, H/Ls≤hs, así que Ls=H/hs, donde H es la cabeza diferencial a través de la estructura. Note que el valor máximo de la cabeza diferencial ocurre cuando el agua es retenida hasta la parte superior de la pared de la retención y no hay flujo en el lado aguas abajo.

TIPOS Y/O MATERIALES PARA RETENCIONES:

Se emplean estructuras tipo orificio o tipo vertedero, dimensionadas para derivar un caudal aguas arriba y dejar pasar un caudal aguas abajo del sitio donde se ubican. Así cuando existen varios puntos de derivación sobre un canal se instalan en número coincidente con cada punto; o un número menor de ellas, si las condiciones topográficas permiten que cada retención sirva a más de un punto de derivación.

En los canales grandes se emplean comúnmente retenciones tipo orificio, operadas con compuertas metálicas deslizantes o de sector circular, desde un puente de maniobra constituido por una losa.

Las retenciones pueden ser de metal, hecha de hierro galvanizado. Estas están ordinariamente provistas de una compuerta regulable para dejar pasar parte del caudal. En suelos ligeramente arenosos puede ser necesaria la colocación de un saco de yute donde caiga la corriente para evitar la erosión producida por el agua que pasa por la compuerta.

3. DISEÑO HIDRAULICO

En el diseño hidráulico de una retención debe tomarse en cuenta:a. El área de la parte central del cuerpo de la retención debe ser tal que el tirante y la velocidad se

conserven aproximadamente iguales en el canal y en la retención a fin de evitar pérdidas de carga

b. La longitud total de la cresta vertedora (parte central más vertederos laterales) debe dimensionarse de forma que invadiendo parte del borde libre permita pasar un porcentaje del gasto de diseño a fin de garantizar un buen funcionamiento de la estructura cuando ocurran

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errores en la operación del sistema. Fijaremos que el gasto a pasar es del 20-40% del gasto de diseño y vamos a verterlo invadiendo un 80% del borde libre en concreto.

c. La velocidad en la cresta vertedora no debe ser mayor de 1.10m/s ya que se dificulta la operación de los tablones.

d. Las transiciones deben diseñarse para evitar pérdidas de altura excesiva de manera de mantener el nivel de agua lo más horizontal posible.

Los pasos a seguir en el diseño son los siguientes:

a. Determinación del ancho de la parte central de la retención "B" de manera que su área sea igual o mayor que el área de la sección del canal.

Siendo:B: ancho de la parte central de la retenciónA: área de la sección del canald: altura de agua en el canal y en la retención

Ilustración 4: Definición de dimensiones características en retenciones

b. Determinación del gasto que pasa por encima de la cresta vertedora

Siendo:

: gasto que pasa por encima de la cresta vertedora

: anchura media de la cresta vertedora es decir:

: 80% del borde libre en concreto

: coeficiente del gasto, su valor aproximado puede tomarse de la tabla 2.;

generalmente se puede tomar un valor de 1.84.

Se debe cumplir que Qvert > Qnorma = 40% Qdiseño. En caso contrario se debe aumentar B hasta cumplir con esta norma.

Tabla 2: Valores de "C" para el cálculo de retenciones(Vertedero de cresta delgada con contracciones laterales)

/ H 0.06 0.15 0.30 0.46 0.61 0.91 1.22 1.52

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Y0.15 1.97 2.08 2.66 2.44 2.45 2.59 2.71 2.810.30 1.92 1.94 2.04 2.15 2.25 2.42 2.44 2.510.61 1.91 1.89 1.93 1.99 2.04 2.14 2.23 2.320.91 1.90 1.87 1.89 1.92 1.96 2.03 2.10 2.171.52 1.90 1.86 1.86 1.87 1.89 1.94 1.98 2.033.05 1.90 1.85 1.84 1.84 1.84 1.86 1.88 1.91

c. Determinación de la velocidad sobre la cresta vertedora,

Siendo:

: velocidad sobre la cresta vertedora

: gasto que pasa por encima de la

: área vertiente

Se debe cumplir que Vvert≤ 1.10 m/s. En caso contrario se debe aumentar B hasta cumplir con esta norma.

d. Determinación de las longitudes de las transiciones de entrada y salida. Estas transiciones deben tener una longitud tal que el ángulo máximo de la superficie del agua con el eje del canal sea de 12°30'.

4. EJEMPLO DE APLICACIÓN

Diseñar una retención en un canal trapezoidal cuyas características principales son:Q = 0.590 m3/segY = 0.50 mb = 0.30 m z = 1.5

A = 0.525 m2 V = 1.13 m/segS = 0.0016 B.L = 0.20 (borde libre)

1. Determinación del ancho de la parte central

2. Cálculo del caudal de vertimiento

C = 1.89 (según tabla 1)H = 80% de B.L = 0.16H3/2 = 0.064L1 = 1.05 + 2 x 0.5 x 1.5 = 2.25 mL2= 1.05 +2(0.5 + 0.16) x 1.5=3.03 m

L=2.79 m

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Q vert. = 1.89 x 2.79 x 0.064Q vert. = 0.337 m3/seg40% de 0.590 m3/seg = 0.236 m3/seg

\ 0.337 > 0.236

3. Velocidad por encima de la Cresta vertedora

V 0.75 m/seg < 1.1 m/seg

4. Longitud de Transiciones

LTe = LTS = 1.69 m

II. PARTIDORES

1. GENERALIDADES

1.1DEFINICION

Un marco partidor es una estructura hidráulica de pequeña envergadura que

sirve para dividir aguas de canal para diversas demandas. Divido a que existen

tomas de agua; se consideran partidores cuando el caudal que se desviará

más del 25%, según Krastz

El sistema más sencillo de partidor, es un tramo recto de canal revestido, que

se divide promedio de un tajamar, repartiéndose el caudal en proporción de

los anchos, cosa que no es exacta, puesto que al realizarse la división en

régimen lento o subcrítico, influyen en los caudales las condiciones aguas

abajo del partidor como son: radios hidráulicos, curvas y en fin, cualquier

motivo que puede dar lugar a remanso.

1.2 COMPONENTES DE UN PARTIDOR

Para el estudio de los partidores es necesario conocer y respetar la siguiente

nomenclatura técnica:

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Canal Entrante, Llegada: El caudal que llega a dividirse.

Canal Pasante: El caudal que sigue con los derechos de varios usuarios

aguas abajo.

Canal Saliente, Ramal: El caudal que deriva los derechos de un usuario.

1.3TIPOS DE PARTIDORES

I. DE ESCURRIMIENTO CRÍTICO

A. Barrera: Es aquel que presenta un umbral en el fondo, el cual permite

la ocurrencia del tirante crítico encima de él.

B. Estrechamiento. Este se caracteriza por tener un angostamiento de la

sección, el cual consigue el escurrimiento critico.

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II. DE RESALTO

Se distingue del resto por tener como característica principal una barrera

de sección triangular en la dirección del escurrimiento.

2. CRITERIOS DE DISEÑO.

I. Partidores de escurrimiento crítico

A. Por barrera: criterios de diseño

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Criterios de Diseño

1) Se fundamenta principalmente en el diseño de un umbral en el fondo,

dicho umbral debe tener ciertas características que permitan la

ocurrencia del tirante crítico encima de él, de manera que en la sección

de partición, no influyan las condiciones de aguas debajo de los canales

derivados, es decir que no me cree ningún efecto de contracorriente.

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2) El espesor a del umbral debe ser igual a 3.5 veces el tirante crítico. e >

3.5 Yc

3) La arista aguas arriba del umbral debe ser redondeada con un radio de 5

a 10 cm.

4) La longitud del umbral o ancho de la sección del partidor se recomienda

en 10 veces el tirante crítico. L ≥ 10Yc

5) C = coeficiente que varia de 0.38 cuando la arista es viva, a 0.41 cuando

la arista es redondeada.

6) En la longitud L del umbral, se obtiene en un 80% de su valor, un caudal

unitario uniforme, el cual disminuye hacia las paredes, donde llega al

80% de la velocidad central y hasta entonces tendrán que efectuarse

correcciones a los anchos correspondientes a los caudales que se

quieren derivar y se consideran 2 casos: - Que el ancho del ramal

compensado sea mayor a 0.1L - Que el ancho del ramal compensado sea

menor a 0.1L Para el primer caso: m1= 0.98 m + 0.01 L Para el segundo

caso:

8) La punta partidora puede ser un macizo triangular (tajamar) o una plancha

de acero delgada (6 mm); que va incrustada una longitud de 1.5Yc en el

umbral del partidor.

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9) Estos tipos de partidores son los menos exactos debido a que siempre es

difícil obtener una perfecta igualación de velocidades sobre el umbral.

10) Se recomienda ubicarlos en un tramo recto, de unos 20 m, donde se aprecie

que la rugosidad es más o menos uniforme.

B. Partidor por estrechamiento

Como se puede ver en la figura el escurrimiento crítico se consigue a través del

angostamiento de la sección.

En este tipo de partidores los anchos de los derivados (Saliente (s) y Pasante) se

pueden hacer proporcionales a los derechos. Siempre y cuando cumpla una

serie de condiciones que detallaremos a continuación.

Criterios de Diseño

Ecuación general que rige su diseño es:

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1. Este valor corresponde al valor más alto de tirante aguas abajo del

partidor

2. Normalmente el canal que decide el cálculo, es el que tenga mayor

tirante y este canal será aquel que tenga el menor valor de o factor

hidráulico de lecho. (S = pendiente; n = rugosidad)

3. El diseño de este tipo de partidor, se fundamenta en la selección del

ancho de estrechamiento que nos da un flujo crítico, donde las

velocidades se igualen y nos permita efectuar la partición de los

caudales, según las necesidades de cada canal.

II. Marco partidor de resalto

Este tipo de partidor tiene como característica principal una barrera de sección

triangular (como se ve en la figura) en la dirección del escurrimiento.

Permite además que los anchos del pasante y de el (los) saliente (s) sean

proporcionales a los derechos de agua. Asegura también la igualdad de las condiciones

de escurrimiento, como el espesor de la lámina líquida, para todos los ramales, y

conserva al mismo tiempo las dos ventajas de los partidores de escurrimiento crítico:

rápida aceleración que iguala las velocidades y aislamiento de la sección de partición

de las variaciones de aguas abajo.

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La partición de caudal en este tipo de partidores se hace en sección idéntica para

ambos ramales, y en la misma punta partidora, por lo tanto, la perturbación por

creación de una capa limite se reduce al mínimo.

En este tipo de partidor es mas perfeccionado que los anteriores por que permite

ancho proporcionales a los caudales que se quiere derivar, debido a que asegura la

igualdad de las condiciones de escurrimiento como el espesor de la lamina liquida para

todos los ramales y principalmente conserva el mismo tiempo en rápida aceleración

que iguala las velocidades y aísla la sección de partición de las variaciones aguas abajo.

3. DISEÑO HIDRAULICO DE PARTIDORES.

I. Partidores de escurrimiento crítico

A. Por barrera: criterios de diseño

Dónde: δ = varía entre 0.1 y 0.15 Y1= Es el mayor tirante que ocurre en cualquiera de los canales

derivados, cuando ingresa el caudal de diseño al partidor. . El caudal que pasa por el umbral del partidor se calcula según la

fórmula:

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B. Por estrechamiento

En el partidor de escurrimiento crítico por estrechamiento, la ecuación general que rige su diseño es:

II. Marco partidor de resalto

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Para su respectivo cálculo se hace el uso de una grafica para obtener datos

con que se resolverán problemas