LINEAMIENT0S GENERALES PARA EL DISEO DE TOMAS DE CAPTACIN

LINEAMIENT0S GENERALES PARA EL DISEO DE TOMAS DE CAPTACINCONTENIDO 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.07.1

GENERALIDADES PARTES DE UNA BOCATOMA CONDICIONES DE DISEO LEVANTAMIENTOS TOPOGRAFICOS CARACTERSTICAS HIDRULICAS DEL RIO CARACTERSTICAS HIDRULICAS DEL CANAL PRINCIPAL DISEO DEL BARRAJE Definicin Tipos de Barraje Tipos de Cimentacin Longitud de Barraje Altura de Barraje Carga sobre la Cresta de! Barraje Velocidad de llegada Forma del perfil de la Cresta del Barraje Vertedero Dimensionamiento de la Base del Barraje Curva de Transicin entre el Escape y el Solado Diseo de ia Lmina Vertiente Superior e inferior

7.27.3

7.47.5

7.67.7 7.8 7.9 7.10

de la Poza 7.11 Sobre el Vertedero 8.08.1 8.2

SOLADO O COLCHON DISIPADOR Clculo de Y1 (Tirante al pie del Barraje Vertedero) Clculo de! Tirante Conjugado Y2 Dimensionamiento de la Poza

8.3

9.0

ESTRUCTURAL PRINCIPALES DE LA TOMA

9.1 Ventana de captacin 9.2 Muros de Proteccin y Encauzamiento 9.3 Aliviadero de Demasas

LINEAMIENTOS GENERALES PARA EL DISEO DE OBRAS DE CAPTACION1.0. GENERALIDADES

Definimos Bocatoma al conjunto de Obras Hidr ulicas construidas en una fuente de agua , ya sea r o , canal o laguna , con la finalidad de captar y derivar de dicha fuente un determinado volumen de agua para utilizarlo con fines energ ticos, de irrigaci n, de abastecimiento p blico u otros usos, constituye generalmente la obra b sica para un aprovechamiento h drico. Las obras de captacin localizadas en el cauce de un ro varan desde una simple toma rustica hasta las grandes obras de concreto, dependiendo del caudal a derivar, de las caractersticas geomorfolgicos de la zona, caractersticas hidrolgicas de la cuenca, adaptabilidad del lugar de ubicacin, procedimientos y facilidades en su construccin. Con los Estudios B sicos: Hidrolog a, Geolog a- Geotecnia, Topograf a, y del estudio de la hidrulica fluvial de la zona es posible definir el dise o ms conveniente debi ndose considerar los siguientes aspectos: a) b) Zona m s adecuada para la ubicaci Alternativas de disposici n de la toma.

n y tipo de obra. s conveniente con dise o hidr ulico

c) Selecci n de las alternativas m y estructural.

La definici n de la obra tanto en disposici n como en el tipo y caracter sticas de todos sus elementos se resume en los siguientes criterios: Costo, Seguridad Hidr ulica y Estructural, y Tiempo de ejecuci n de obras. Rocha(1) , clasifica las tomas en base a varios criterios de la siguiente Seg n el Nivel de Toma con Re Toma con Nivel libre. Toma con captaci n profunda. o: specto al R o : manera:

Seg n el Emplazamiento de la Toma con Respecto al R Toma con captaci n desde una margen (lateral). Toma con captaci n en el R o (frontal).

Toma con captaci n desde ambas m rgenes (bilateral).

Seg n el Criterio de Funcionamiento Toma por Gravedad. Toma por Bombeo.

:

Seg n el Tiempo de Vida: -

Toma permanente. Toma provisional. Toma rstica.

Seg n la Manera de Combatir el Ingreso de los Slidos (Tomas Libres)

-

Toma sin ningn dispositivo especial (derivacin libre). Toma con barraje (con captacin a ngulo recto inclinado). Toma con obras especiales (Diques, espigones , etc.) PARTES DE UNA BOCATOMA

2.0.

Las partes que conforman una estructura de captacin son las siguientes :1.

Ventanas de captacin con compuertas para regular el gasto de entrada. Canal de Limpia para evacuar los sedimentos. Barraje que puede ser fijo , mvil o mixto. Trampas para material de fondo y rejillas para material flotante. Disipadores de energa en los cambios de rgimen. Aliviaderos de demasas para evacuar los excedentes en la captacin.

2.3.

4.5. 6. 7.

Muros de encauzamiento o muros de proteccin de la estructura. Desrripiador y canal de purga. Enrocado para evitar la erosin aguas abajo. Compuertas para operacin de purga y captacin.

8.9. 10.

Las partes mencionadas se incluyen generalmente en una estructura de captacin convencional, pero teniendo en cuenta factores Topogrficos, material de arrastre, etc, se puede prescindir de algunas ce ellas.

La representacin esquemtica de una bifurcacin, as como la derivacin libre en una captacin tpica y empleando material rstico, as como las partes que generalmente

conforman una bocatoma convencional las podemos apreciar en las Figuras N 1 , 2 , 3 , y 4.

Fl

FIGURA N2

I.

Representacin Esquemtica de

una

Bifurcaci n

Compuerta

Canal

de D e r i v a c i n

. F IG U R A N 2 D e riv a c i n L ib re c o n u n a C a p ta c i n

TOMA

Derivaci n Cab a l l o s madera (Zona cncava de

3. F IG URA

T o m a m p l e a n d om a t e r i a l r u s t i c o( C a b a l l o dse e M a d e ra )

R a n u ra

p a ra

cc m p u e rta o

Dsrrlpodor Cmara de Decantacion

o

Vertedero demasas

de

Canal de Desfogue del de vertedero de Demasias

Canal

de

Purga

de

( a do r

Ventana de Captaci Borr aje filoPoza Disipad ora

Enrocado de Proteccin

Muro de Proteccin

FIGURA N.- 4.

P a r t e s que

conforman una E s t r u c t u r a

de Captacin

3.0.

CONDICIONES DE DISEO:

Entre las principales condiciones tenemos : Con Respecto a su Funcionamiento .-

Tener derivacin permanente del caudal de diseo.

Proveer un sistema para dejar pasar el caudal de avenidas , que acarrean material slido y flotante. Captar el mnimo de slidos y disponer de medios apropiados para su evacuacin.-

Estar ubicado en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista constructivo.-

Mantener aguas sedimentaciones.-

abajo

suficiente

capacidad

de transporte

para

evitar

Con Respecto al Material Slido : -

Evitar su ingreso. Decantacin y eliminacin luego de su ingreso.

Para un mejor conocimiento del fenmeno sedimentolgico que se presenta en toda captacin fluvial, analizaremos lo que ocurre en una bifurcacin: Bifurcaciones: Segn Rocha, consideremos la Figura N 1 donde B es el ancho del Ro del cual se deriva un canal lateral con un ancho b, es el ngulo de derivacin formado por el eje del Ro y el eje del canal lateral. En el cauce del Ro discurre un caudal Q, del cual se deriva Q t quedando Q2 , que a su vez transporta un caudal de slidos QF distribuyndose en Qfl y Qi2. Por lo tanto por la ecuacin de continuidad: Q = Q 1 + Q2 QF = QF1 + QF2

En un intervalo corto de tiempo, se producir erosin y sedimentacin y slo habr equilibrio despus de igualar las cantidades de slidos que entran y salen por los extremos de dicho tramo. Si el volumen de slidos que ingresa es menor que el volumen de slidos que sale, hay erosin. En caso contrario hay sedimentacin. Tambin QF puede descomponerse en transporte de slidos de fondo QG y transporte de slidos en suspensin Qs : QG + Gs

Experimentalmente se determin que cuando derivamos por un canal lateral el 50%

del caudal total , la captacin de slidos fue del 90% y el redondeo de las esquinas no altera su ingreso. Las capas superiores se dirigen casi en su totalidad al canal lateral. Como l a s capas inferiores contienen mayor sedimento se obtienen altos porcentajes de entrada al canal. Las capas inferiores presentan velocidades bajas y estas originan un cambio en la direccin. Las capas superiores tienen mayor velocidad y siguen la trayectoria de la corriente principal. 4.0 LEVANTAMIENTOS TOPOGRFICOS Aguas abajo de la estructura de captacin: 100a 500 m. Levantamiento Topogrfico del ro (planta y perfil longitudinal) , de 1 Km.aguas arriba y de 500m. aguas abajo del eje de captacin , para conocer con mayor aproximacin la pendiente geomtrica del cauce. Las escalas varan segn la envergadura del Proyecto. . Levantamiento de la Zona de diseo. Se recomienda que el levantamiento abarque el rea de ubicacin de las estructuras planteadas como mnimo. . Secciones transversales del cauce del ro c/20 m. , de 1 Km. aguas arriba y 500 m. aguas abajo del eje de captacin 5.0 CARACTERSTICAS HIDRULICAS DEL RIO

Para determinar las caractersticas hidrulicas del ro , se debe definir y uniformizar el cauce en la zona de captacin , siendo importante los siguientes parmetros :* *

Caudal de Avenidas Qmax(m3/s) Talud de las mrgenes del ro (2)

Este talud es funcin del material que conforman las mrgenes del ro. En el cuadro N 1 se presentan taludes recomendados segn el material del terreno. Sin embargo los diseos de acuerdo a la zona suele considerarse muros verticales para efectuar el encauzamiento. Por tal motivo puede considerarse un talud Z = 0 , en la zona de captacin. * Coeficiente de Rugosidad (n).

Este valor es caracterstico de cada cauce, dependiendo de la mayor o menor resistencia que oponga el escurrimiento del fluido , siendo funcin de lo siguiente ; n = (n0 + n1+ n2 + n3 + n4) (n5)..................................:........................................1

CUADRO No 1 Taludes recomendados para las mrgenes de un ro segn el material del terreno.

CORTES Conglomerado Suelos Arcillosos Suelos Areno Limosos Suelos Arenosos Suelos Arenosos Sueltos jRoca Alterada Suelta Roca Sana

TALUD H:V 1:1 1:1 1.5:1 2:13: 1 0.5:1 0.25:1

RELLENO Tierra Vegetal Suelos Arenosos

TALUD H:V 1.5:1 3:1

Corte directo para conocer C y O

Talud

Talud

Segn Woody L. Cowan, se presenta el Cuadro N 2 , para valores de n0 a n5 * Ancho de Cauce B (m).

Habiendo elegido un tipo de bocatoma con barraje debe considerarse un ancho mnimo.

*

Pendiente del Ro S 0(%)

Lo determina el perfil longitudinal del ro. ** * * *

Tirante Normal Yn(m). Permetro Mojado P(m). rea Hidrulica A (m2) Radio Hidrulico R (m). Espejo de Agua T (m).

* Velocidad V (m/s).*

Nmero de Froude. N.F.

S N.F. < 1 -> Flujo Subcrtico Si N.F. > 1 -> Flujo Supercrtico * 6.0 Energa Especfica. E.E. (m). CARACTERSTICAS HIDRULICAS DEL CANAL PRINCIPAL

Los parmetros de diseo sern los que fueron mencionados para determinar as caractersticas hidrulicas del ro. El nivel mnimo de la cresta del barraje , debe ser igual al nivel energtico que presenta el Canal de derivacin , conduciendo el caudal requerido , ms un margen de seguridad debido a la prdida de carga que sufriera el agua al derivarse del ro al canal. La cota de rasante en el inicio del canal ser tomada en cuenta para el diseo de la Toma.

CUADRO N2: CARACTERSTICAS DEL RIO PARA EL CLCULO DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD "n"

CONDICIN DEL CANAL

VALORES

MATERIAL CONSIDERADO

GRADO DE IRREGULARIDAD

VARIACIONES DE LA SECCIN TRANSVERSAL DEL CANAL EFECTIVO RELATIVO DE OBSTRUCCIONES

VEGETACIN

CANTIDAD DE MEANDROS

Tierra Roca Cortada Grava Fina Grava Gruesa Liso Menor Moderado Severo Gradual Ocasionalmente Alternante Frecuentemente Alternante Despreciable Menor Apreciable Severo Baja Media Alta Muy Alta Menor Apreciabie Severa

n0n1

n2

0.020 0.025 0.024 0.028 0.000 0.005 0.010 0.020 0.000 0.005 0.010-0.015

n3

n4

n5

0.000 0.010-0.015 0.020 - 0.030 0.040-0.060 0.005-0.010 0.010-0.025 0.025 -0.050 0.050-0.100 1.000 1.150 1.300

7.0

DISEO DEL BARRAJE

7.1

Definicin

El barraje es una estructura levantada en el cauce del ro con la finalidad de retener el agua, produciendo la elevacin de su nivel hasta una altura que nos asegure una captacin permanente. La forma vara segn su tipo : geometra , disposicin dentro del cauce , material de construccin y economa del proyecto. 7.2. Tipos de Barraje

Barraje Fijo: Es una estructura slida emplazada a todo lo ancho del cauce por lo tal motivo la curva de remanso que se produce aguas arriba del barraje no puede ser alterada originando una colmatacin de slidos que puede traer la inutilizacin de la toma o el ingreso de abundante material slido a travs de la ventana de captacin.a)

Barraje Mvil: Consiste en un sistema de compuertas situadas a todo lo ancho del cauce del rio y que a su vez regulan el flujo de aguas. Desde el punto de vista hidrulico se recomienda cuando el ro presenta un periodo de crecidas con caudales muy altos.b)

c). Barraje Mixto: Constituye la combinacin de los dos anteriores formado en parte por una estructura fija y el resto por un sistema de compuertas que se aprovechan para usarlo como un canal de limpia del material slido acumulado 7.3. Tipos de Cimentacin

Flotantes: Apoyadas sobre material del echo del ro (arena y grava). Fijo; Apoyados sobre rocas. La seleccin de cualquiera de ellos se rige por condiciones de seguridad contra la erosin , control de flujo subterrneo y razones de costo durante el proceso constructivo , siendo este ltimo el decisivo para elegir el tipo de estructura. 7.4. Longitud de Barraje (L)

La longitud del Barraje est ligada al ancho del cauce y a la carga del agua que se presentan sobre l. Para est efecto en caso de tenerse un cauce muy angosto puede hacerse obras que permita- el ensanchamiento del ro y as poder obtener mejores condiciones de captacin.

7.5.

Altura de Barraje (P)

Mediante esta altura se consigue elevar o mantener un nivel de agua en el rio, para que as se derive el caudal hacia el canal principal permitiendo el paso de la excedencia por encima de ella. Segn la Figura No 5, Mansen y Rosell2i3), determinan la altura del barraje con la siguiente frmula; C c = C o + P + = C o + (h o + h + 0.20)..................................................................2

y y T

Altura de perdida perdidas renaso del borraje Donde: Cc Co : Cota de la cresta del barraje, (m.s.n.m) : Cota del lecho del ro. (m.s.n.m) la toma. (m).

h0 : Altura para evitar arrastre de sedimentos hacia Considerrar h 0 > 0.50 m. h 0.20 : Altura de la ventana de captacin, (m)

: Segundad por efecto de oleaje y coeficiente de carga. variar.

Puede

La altura del barraje se calcula en funcin de la ventana de toma, considerando que debe estar por encima de la rasante del ro. 7.6. Carga sobre la Cresta de! Vertedero (He)

Esta carga viene a constituir la altura del nivel de agua , aguas del-vertedero , y es calculado mediante la ecuacin genera! de ios vertederos que se presenta a continuacin : Q max = C dxLx(He) 3/2..................................................................................................................................................... 3 Despejando He tenemos;

He = He = (

Qmax / C d ) C = 0.81

H max = 1.65 H dDonde :

He

: Carga tota! sobre la cresta , incluyendo la altura de velocidad.

Est dado en mts. Ver Figura N c 6. Qmx L Cd :Caudal de mxima avenida (m3 /seg.)

: Longitud efectiva del vertedero, (mts.) : Coeficiente de descarga del vertedero.(4)

Investigadores como P. Novak tenemos: Cd = (2 g) C

, han desarrollado frmulas de clculo para Cd, as

C d ( 2g) (c) ..

4

Teniendo en consideracin lo siguiente:

Hd = HmaxDonde C puede tomar los siguientes valores : S H d > Hmax --- 0.573 Yn (la ms frecuente) origina los mayores problemas a la estructura , por lo cual se busca la forma de contrarrestara bajando el nivel del solado, hasta un punto tal que la cota energtica despus de! salto sea igual a la que presenta inmediatamente aguas abajo. Para a condicin ptima de entrega del nivel de agua del tirante conjugando mayor (Y2) y tirante normal del cauce (Yn) debe cumplirse lo siguiente: Y2 = Y0 + r 23

La condicin anterior pocas veces se presenta, por lo que Gonzlez y Mansen(6,2) recomiendan hacer la correccin por la frmula siguiente : Yn + r= 1.15 (Y2) 8.0. CANAL DE LIMPIA 24

- Se puede considerar 1/10 del ancho entre los muros En las estructuras de derivacin se tiene siempre e! problema de acumulacin de sedimentos y estos traen problemas de funcionamiento de la obra , bajo aprovechamiento , aumento de costos de operacin y conservacin y suspensin temporal del servicio de riego. Este canal de limpia ubicado entre !a ventana de captacin y el barraje fijo da lugar al denominado barraje mvil , cuyo fin es evitar la acumulacin de materia! slido frente a la ventana de captacin.

En pocas de avenidas sirve para desaguar parte del cauda! de agua. El ingreso de las aguas es controlado por un sistema de compuertas.

8.1

Velocidad Requerida para el Canal de Limpia

Su ubicacin recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al rio y formando un ngulo entre 45 y 60 con el eje de captacin (puede variar de acuerdo al criterio del diseo), a menos que se realice un modelo hidrulico que determine otras condiciones. El flujo existente en el cana! debe tener una velocidad Ve capaz de arrastrar ios sedimentos depositados. Mansen(2) , presenta la frmula siguiente : Vc.= (1.5)(C)(D1/2) Donde: Vc C material, d=D : Dimetro del grano mayor. ; Velocidad para iniciar el arrastre, (m/s). : Coeficiente en funcin del tipo de 31

Tipo de Material Arena y Grava redondeada Grava (rectangular) arena y grava cuadrada Mezcla de

C 3.2 3.9

3.5 a 4.5

9.0 ESTRUCTURAS PRINCIPALES DE LA TOMA Ventana de Captacin

9.1

Constituyen la entrada o abertura patra el caudal de derivacin. Su ubicacin con respecto al fondo del cauce esta limitada en el nivel superior por la cresta del barraje , debiendo quedar por lo menos 10 cm por debajo de esta. En cuanto al nivel inferior deber estar a una altura tal que evite el ingreso del material slido a travs de ella. Ver Figura N 5. Donde: h 0 : Altura para evitar ingreso de material de arrastre. Se recomienda 0.50 m. como mnimo. h: Altura de la ventana de captacin. La ventana de captacin funcionar como vertedero de cresta ancha en pocas de estiaje y como orificio en pocas de avenidas.

Las caractersticas de flujo son las siguientes:

1 Caso : En pocas de estiaje es preferible determinarlo por la frmula del vertedero.

(Kractz y Mansen (10.2) Q = 1.84 (L) (H )3/2

(Sin Confracciones)....................38

Q = C (L-O.1 Nh )h 3/2(Con Contracciones).....................................................39

Donde: Q = Caudal a derivar ms el caudal necesario para operacin del sistema de purga (m3/seg.). L = Longitud de la ventana (m). h = Altura de la ventana (m). C = 1.84 = Coeficiente normalizado del vertedero. N = Nmero de Contracciones.

II Caso : Para la carga mxima de diseo, el caudal de ingreso se calcula mediante la expresin para orificios sumergidos: Q= C d ( A ) ( 2 g H ) Vi Donde; Cd = (Cv) (Cc) = Coeficiente de gasto de un orificio. C v = Coeficiente experimental de prximo a 1) correccin por prdida de carga (muy .................................................................40

C c = Coeficiente experimental de correccin por contraccin de la vena liquida entrante. Adems:

V

=Cv(2gH)1/2

Ao

= Cc ( A ) , Ao = Seccin contrada.

Estos coeficientes se usan en orificios circulares y rectangulares y son funcin del nmero de Reynolds. As en la Figura N 18 observamos que cuando el nmero de Reynolds Re > 105 , los coeficientes Cv, Cc, Cd adquiera valores constantes de : Cv= 0.99, C c = 0.605, Cd = 0.60 En orificios rectangulares de poca altura. los coeficientes toman los mismos valores , y en el nmero de Reynolds el valor de "D" toma la mnima dimensin de! orificio. En general si las dimensiones del orifico y las cargas no son muy pequeas, el coeficiente es casi independiente de ellas vale aproximadamente 0.60 , pero a medida que las cargas y las dimensiones disminuyen , aumenta algo este coeficiente , volviendo a disminuir nuevamente cuando la carga excede poco las dimensiones del orificio . En rigor el coeficiente de gasto es una funcin compleja en que influyen la viscosidad, la capilaridad , el mdulo , su forma, sus dimensiones absortas y la temperatura. (Domnguez). Prdida de Energa en la Entrada La velocidad del caudal en su paso por las estructuras de retencin con alzas mviles no debe ser superior a 1 m/s cada la dificultad de poner y quitar las alzas mviles (compuertas). Pariendo de la velocidad de

Proyecto elegida, se determina la abertura requerida y la correspondiente prdida de carga. Kractz, estima que la prdida total de altura en una estructura de retencin se obtiene por la siguiente expresin: Pe = (Ke)(hv) ........................................................................................41

Tipos de Entrada Entrada Aristas Aristas rectas abocinada redondeadas

ke

0.04 0.23 0.50

Donde: Vrio: Velocidad en el rio ((aguas arriba de la ventana), (m/s). Vrel: Velocidad de retencin (orificio), (m/s). g: Aceleracin de la gravedad, (m/s2). Rejillas El objetivo de las rejillas es impedir que las panculas slidas o cualquier tipo de obstculo ingrese al canal de derivacin. Se encuentran formando paneles y su colocacin puede ser vertical o con una pequea inclinacin de 75 para facilitar su limpieza. Su principal objecin es que originan prdidas ce carga los cuales deben ser considerados durante el dimensionamiento de a altura del vertedero. Prdida de Energa en Rejillas

42

Donde : K: Coeficiente en funcin del material y la seccin transversal de la barra de la rejilla. b ; ngulo de inclinacin de la rejilla. : Espaciamientoneto entre rejillas.

t

: Espesor de las rejillas. Usar el Cuadro N 8 para velocidades de 1m/s. La separacin de las varillas varan de 1" a 4" para material fino y de 4" a 8" para material grueso. CUADRO N 8 : Prdida en Rejillas

CASOS

t = 0.1 B (cm)

T _ = 0.111 B (cm)

t = 0.125 b (crn)

t = 0.15 b (cm)

t = 0.2 b (cm)

(a)(b) (c)

0.6 0.4 0.4

0.6 0.5 0.440.3

0.75 0.560.6 0.3

0.9

1.41.0

0.7" 0.650.4

0.960.60.5

(d) (e)

0.250.2 0.2

0.240.2

0.3 0.25

0.360.3

(f)

0.45

Considerar V = 1 m/seg. Transiciones De acuerdo al criterio del diseador algunas veces se suele unir la zona de las compuertas con el canal mediante una transicin que a la vez permite reducir las prdidas de carga, turbulencias y en general tener un funcionamiento tranquilo y ms correcto. Lo ms recomendable es que las paredes de la transicin sean alabeadas o redondeadas, pero por razones econmicas o de facilidad constructiva, es simplifica esta transicin dividiendo a las pareces laterales en des planos segn una lnea recta. Ver Figura N 20. El Bureau of Reclamation, recomienda que el ngulo mximo entre el eje del canal y una lnea que une los lados de la transicin, a la entrada no exceda de 12.50. As tenemos:

CORTE A-A

Y. ' 2 . 4 2

K = 1.83

K =1 . 6 7

Kx 0.76 Kx0. 92

K x 1.035

Y = K V 2 / 2 gp e rd id a s c a le s lo

e nf u n c i n d e l m a t e r i a l y d e l a s e c c i o n r a n s v e r s a d e l a b a r r a. t lFIGURA

o N1 9 . R e j i l l a s . C o e f i c i e n t e s K

SI

S2

Q

blFlujo

b2

PLANTA

hvl hv2

Y2

AFIGURA Transicin. No 20. Representacin de una

.43MC.

Donde : L b, b2 ; Longitud mnima de transicin, (m) : Ancho mayor aguas arriba, (m) : Ancho del canal de derivacin, (m)

Las prdidas de energa en la transicin se deben a la friccin y al cambio de velocidad. La 1ra. es pequea y puede ser despreciada en clculos preliminares , la 2da. es funcin de la diferencia entre las cargas de velocidades. Prdidas en Transiciones (Ptr) Rosell y Velasco(3.8),

recomiendan la siguiente expresin : Ptr = Kc ( hv2 - hv1 ) Donde : Kc = Coeficiente de contraccin. Presenta los siguiente valores : .............................................................................44

En contracciones En expansiones En cambios bruscos

k = 0.10 k = 0.20 k= 0.50

P rdidas por Fricci n (pf) Se determina por la siguiente expresin

Donde: V n R L : Velocidad en la transicin. (m) : Coeficiente de rugosidad. : Radio Hidrulico, fm) : Longitud de transicin, (m)

La prdida por friccin es tan pequea que muchas veces se desprecia.

Desrripiador o Poza Tranquilizadora Despus de la reja de entrada en la toma se acostumbra dejar una cmara que se llama desrripiador para atrapar o descantar las piedras que pasaron a travs de as rejillas y que no deben entrar ai canal. Para ello se deja una compuerta que conecta con el canal de desfogue. El canal debe tener una gradiente suficiente para conseguir una velocidad de lavado alta y que sea capaz de arrastrar todas las piedras. Se recomienda una pendiente mayor de 2%. Algunos autores lo disean en funcin del resalto sumergido producido entre la reja de entrada y el vertedero de la salida considerando para que funcione en forma normal. Tambin puede establecerse el ancho del desrripiador como igual al de una transicin que uniera los anchos de la rejilla y el vertedero. Lo antes mencionado determina que adoptemos una seccin trapezoidal o similar. Debemos eliminar los ngulos rectos y unir las paredes con curvas que converjan hacia la compuerta para que !as piedras no se queden en las esquinas. Ver Figura N 21. Generalmente diseamos en funcin de generar una velocidad que permita el arrastre del material. Se recomienda mayor o igual a 2 m/s. El ancho libre necesario para el desrripiador se obtiene por la frmula de Krochin(7)Q = (S) (Mo) (b) H3/2

.45

Que es la frmula general de los vertederos transformada para cuando esta sumergido. Donde :

.47 = Coeficiente que incluye la velocidad.de aproximacin y no se considera en la carga H. = Elevacin de la cresta sobre el fondo del desrripiador, aguas arriba.

S = Coeficiente de correccin por sumersin.

Z Hn Y2

= D i f e r e n c i a d e e l e v n i d e l a s s u p e r f i c i e s d e a g u a s a r r i b a y a b a j o d e l a ac c r e s ta . = E l e v a cn d e ! a g u a b a j o e l v e r te d e r o s o b r e r le s t a . i c a = E l e v a cn d e l a c r e s t a s o b r e e l f o n d o , a g u a s a b a j o . i

Condiciones del vertedero sumergido:

1.

h > y2

2.

Zo/ y2 < 0.7

Si no se cumple la 2da condicin, o sea si Z c/Y > 0.7 ; el vertedero se calcula como no sumergido , pues se produce un resalto hidrulico rechazado al pie. La gradiente necesaria para el cana! es :

. 49

Si la gradiente del ro es superior a este valor , quiere decir que esta bien. Si es inferior entonces hay que aumentar el ancho del canal o levantar el fondo del desrripador o ambas cosas.

Cana [ Purga o

de Desfogue

del Desrripiador

PLA TA NMecani smo d Iza j e d.a Compuerta

C O R T EA - A

Ventana

de

Captacin

a P la n ta y C o r l e de uDn e s r r i p ioa r . d

V is t en

9.2

Muros de Proteccin y Encauzamiento

Estas estructuras permiten encauzar el flujo del rio entre determinados lmites para formar las condiciones de diseo pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.). Se construyen aguas arriba y aguas abajo de la toma. Pueden ser de concreto simple, concrete armado , diques de enrocamiento segn los materiales disponibles en zonas prximas a la toma. Su dimensionamiento es para controlar el posible desborde del mximo nivel del agua y de evitar que la socavacin afecte las estructuras de captacin. Se recomienda que la cota de cimentacin debe estar por debajo o igual a la posible profundidad de socavacin. Con la altura definida se puede dimensionar ios espesores necesarios para soportar los esfuerzos que transmiten el relleno y la altura del agua (presin) ; es prctica comn disear al volteo , deslizamiento y asentamiento.

Su dimensionamiento es bsicamente estructural ya que hidrulicamente solo requieren tener una altura que est por encima del nivel mximo del agua, ms un borde libre de segundad (mnimo 0.50 m. ). La determinacin de ste nivel de agua se efecta en el estudio de! remanso hidrulico para la zona aguas arriba del barraje, y aguas abajo lo obtenemos del resalto hidrulico ya analizado. La Figura N 23 presenta la seccin tpica de un dique de encauzamiento, pudiendo variar sta en cuanto as los taludes recomendados segn el criterio de! diseador. Donde : D r = Dimetro mnimo de la roca. Hs = Profundidad de Socavacin. Orientacin del Tamao Mnimo de la Roca Ve!asco (3) , presenta !a siguiente frmula experimental asumiendo dP = 2.6 tn/m3.

55a

Donde:

V

= Velocidad media para mximas avenidas. = Coeficiente para piedras esfricas. Se considera igual a 0.86 y 1.20 velocidades crticas mnimas de arrastre respectivamente.

K para

g dP D H2O

= Aceleracin de la gravedad. = P e s o v o l ut r i c o d e l a g u a . m = P e s o v o l ut r i c o d e l a g u a . m

D Pr

= D i m e t r o d e l a e s f e r a e q u i v a l e n t e a l a r o c a . = P es o d e la ro c a .

9.3

Aliviadero de Demasas

Los vertederos laterales o aliviaderos son estructuras que se hacen en la pared o talud de! canal para eliminar excesos del caudal que entra por falla de las compuertas o por una avenida imprevista. El agua que pasa por el vertedero es recogida por un canal de recoleccin que se disea para un gasto variable y ste desagua ai rio. Existen numerosas frmulas diferentes para el clculo de vertederos laterales, presentndose aqu el mtodo de F.J. Domnguez. Funciona: 1.- Si a trabajado. 2.- Control de flujo.

FIGURA No

22. Componentes

de

la

Energa

en

Canales p r i s m t i c o s .

FIGURA23. Seccin Tpica

de un D i q u e de

Encauzamiento.

La superficie del agua es curva, pero como la curvatura es pequea , podemos asumir que la variacin es lineal , (hiptesis). Aceptada la hiptesis de variacin lineal de la carga, en un punto que dista X del comienzo del vertedero , la carga en la Figura N 24 a vale:

El gasto en la longitud "dx" ser :

El gasto total que escurre sobre el vertedero se obtiene integrando "X" en la expresin entre "O" y "L".

El coeficiente "m" depende en paredes delgadas de la carga, altura del vertedero , velocidad inicial y forma de la napa. Suponiendo nula la velocidad inicial, es poco variable entre las carcas h 0 y ha. En paredes gruesas no depende de h si la velocidad inicial es nula y es poco variable con cargas extremas. Asumiendo que la variacin de las cargas es insignificante , !as integrales sern :

Por comodidad de clculo se introduce el parmetro :

Q = C m L h , ( 2gh, )1/2

Es decir que podemos calcular el gasto de! vertedero lateral multiplicando por un coeficiente el gasto que dara la carga final en todo el vertedero en el caso de carga creciente. Donde:

Coeficiente que depende de la relacin de las cargas al principio y a! final del vertedero (vemos que K < 1) , los valores de C en funcin de K podemos encontrarlo tambin segn la Figura N 24b (Krochin (7)). m = Coeficiente de gasto (obtenida de la relacin que se detalla ms adelante). L = Longitud del vertedero (m)." h1 = Carga al final del vetedero (m). g = Aceleracin de la gravedad (m/s ). Las experiencias confirman el valor de! coeficiente "C" especialmente en el caso de un rgimen de rio frente al vetedero , que es indudablemente el ms frecuente. Si ese rgimen es torrencial, e! eje hidrulico es de curvatura muy variable , y por lo tanto , poco aproximada la hiptesis de variacin lineal de la carga. Calculo de la longitud del Aliviadero por puntos escalonados Si despreciamos las prdidas por friccin y la cada de fondo debido a la gradiente, por ser valores muy pequeos ; tenemos por lo tanto que la energa especfica a lo largo de la cresta de! vertedero es una cantidad constante :

Recordando que Bernolli entre "0" y "1" es de gasto variable, gasto siempre decreciente desde aguas arriba hacia aguas abajo, se tiene: Diferenciando:

En esta ecuacin "y" es una altura de agua de una seccin "A" del canal, donde el gasto de! canal es "Q" , situados frente al vertedero lateral , y todas variables es lo largo de el. Reemplazando, dA = bdy y despejando;

57En el que "dQ" es el gasto que Rebaza por e vertedero en una longitud "dL" , y lo tanto , siendo la carga variable h = H-a (Figura No 24a) , vale en una longitud dL:

.5858 ........................................................................................................................................ AL = Por metro lineal.