rÁpidas y desarenador
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7/23/2019 RÁPIDAS Y DESARENADOR
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UNI VERSIDAD NACIONAL DANI EL ALCIDES CARRIÓN
ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE I NGENI ERÍA
1DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 3
OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 3
Objetivo Principal ........................................................................................................................... 3
Objetivo Secundario ........................................................................................................................ 3
I. DISEÑO DE RÁPIDAS ........................................................................................................................ 4
1.1. DEFINICIÓN: ........................................................................................................................ 4
1.2. PARTES:................................................................................................................................ 4
1. Transición de Entrada ............................................................................................................. 5
2. Sección de Control .................................................................................................................. 5
3. Rampa ................................ ................................................................................................... 5
4. Trayectoria ............................................................................................................................. 5
5. Colchón Amortiguador ................................................................................................ ............ 6
6. Transición de Salida ................................ ................................................................................ 6
1.3. TIPOS DE RÁPIDAS:............................................................................................................. 6
1. RÁPIDAS LISAS ........................................................................................................... ............. 6
2. RÁPIDAS ESCALONADAS .......................................................................................................... 7
3. COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS................................................................... 8
1.4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS ............................................................ 8
1. Coeficiente de Rugosidad de MANNING ................................................................................... 8
2. Transiciones ........................................................................................................................... 8
3. Tramo Inclinado .................................................................................................................... 10
4. Trayectoria ........................................................................................................................... 11
5. Poza Disipadora .................................................................................................................... 12
6. Formación de Ondas ................................................................................................. ............ 16
1.5. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: ......................................................................................... 17
II. DESARENADOR .................................................................................................................. ........... 18
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2DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
2.1. CONCEPTOS ...................................................................................................................... 18
2.2. PARTES DEL DESARENADOR: .......................................................................................... 19
2.3. PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO ......................................................................... 20
2.3.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS ......................................................................................... 20
2.3.2. INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO ........................................................................ 20
2.3.3. ESTUDIO DE CAMPO ..................................................................................................... 20
2.3.4. ALTERNATIVAS DEL PRETRATAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO PREVIO ........................ 21
2.3.5. ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE AGUA DE LA FUENTE .......................................................... 21
2.3.6. ANÁLISIS DE RIESGO Y VULNERABILIDAD DE LAS INSTALACIONES .................................... 21
2.3.7. DISEÑO DEL DESARENADOR .......................................................................................... 22
2.3.8. CRITERIOS DE DISEÑO ................................................................................................... 22
2.4. NORMATIVIDAD ................................................................................................... ............ 23
2.4.1. ALCANCES .................................................................................................................... 23
2.4.2. REQUISITOS ................................................................................................................. 23
2.5. EJEMPLO REAL ................................................................................................................. 24
2.5.1. PROYECTO RAPAY ......................................................................................................... 24
2.5.2. PLANTA DE TRATAMIENTO RIO RIMAC .......................................................................... 26
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3DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
INTRODUCCIÓNA los alumnos del curso de Diseño de Obras Hidráulicas, como parte de nuestra formación
académica y profesional, se nos ha solicitado el diseño de una rápida y un desarenador, con el
propósito de obtener los conocimientos básicos para solventar problemas relacionados a estas
obras hidráulicas.
Estas dos obras hidráulicas no pueden tratarse como complementos de otras obras hidráulicas,
puesto que, las obras en cuestión, poseen una función importante y particular, como el
desarenador el cual brinda un pretratamiento a las aguas captadas para diversos usos.
El trabajo monográfico está dividido en dos partes; la primera, corresponde al diseño derápidas; la segunda, al diseño de un desarenador. Así mismo, el presente trabajo presenta
conceptos, formulas, parámetros de diseño, normativas y ejemplos de diseño, tomados del
texto guía del curso y también ejemplos reales propuestos por el grupo de trabajo.
OBJETIVOSObjetivo Principal
Exponer y detallar los parámetros y criterios básicos para el diseño de las rápidas y
desarenadores.
Realizar el diseño de una rápida.
Realizar el diseño de un desarenador.
Objetivo Secundario
Proporcionar una fuente de información que sirva de guía para el diseño eficiente de
una obra hidráulica (Rápidas y Desarenadores).
Proponer técnicas para diseñar un desarenador y rápida en diferentes circunstancias
reales.
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4DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
I. DISEÑO DE RÁPIDAS
1.1. DEFINICIÓN:Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe
un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la
utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditada a un estudio
económico comparativo.
1.2. PARTES:En una rápida se pueden distinguir las siguientes partes:
Transición de entrada
Sección de control
Rampa
Trayectoria
Colchón
Amortiguador
Transición de
salida
Transición
de entradaTransición
de salida
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1.
Transición de Entrada
Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo
inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión
en el canal. El control es logrado por la combinación de una retención, un vertedero
o un control notch en la entrada. La entrada usada deberá ser simétrica con
respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas
arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido,
permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea
suspendida.
Las pérdidas de carga a través de la entrada podrían ser despreciadas en el caso que
sean lo suficientemente pequeñas que no afecten el resultado final. De otramanera, las pérdidas a través de la entrada deben ser calculadas y usadas en la
determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente
del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crítico ocurre donde la
pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En
el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para
soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, debería calcularse dicha
velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energía al
inicio del tramo inclinado.
2.
Sección de Control
Es la sección donde se presenta el cambio de pendiente y se caracteriza porque en
esta sección se produce el tirante crítico.
3.
Rampa
Es el tramo de canal con pendiente mayor que la crítica presentándose en él un
escurrimiento de régimen súper-critico.
4.
Trayectoria
Es una curva parabólica que liga la rampa con la parte inicial del colchón
amortiguador. Se adopta esta forma debido a que es la trayectoria libre seguida por
el agua, de esta manera se evita que el agua se separe de la plantilla produciendo
vibraciones y erosión.
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5.
Colchón Amortiguador
Es un depósito formado en su parte inicial por un plano inclinado 1.5:1, después por
un fondo plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une mediante un
escalón.
El objeto del colchón amortiguador es disipar la energía cinética que trae el agua
para evitar la erosión de la estructura.
6.
Transición de Salida
Es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energía y
el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tall water) al
disipador de energía, la .superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si seconstruye una transición de salida de concreto y no hay control del flujo después en
el canal, la transición puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de
la transición en el sitio de la uña.
El tirante de aguas abajo también puede ser provisto por la construcción de un
control dentro de la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de
salida es despreciable.
1.3. TIPOS DE RÁPIDAS:Se pueden distinguir los siguientes tipos:
1. RÁPIDAS LISAS
Son canales de fondo liso con pendientes adecuadas a las condiciones topográficas
del terreno y al caudal que se desea evacuar. En ellos, el agua escurre a velocidad
apreciable, llegando al pie de la ladera o talud con gran cantidad de energía cinética
que requiere ser disipada para no erosionar el lecho del cauce receptor del agua, ni
poner en peligro la estructura por socavación de su pie; para esto se emplean
tanques amortiguadores con dentellones o bloques.
El diseño de las rápidas lisas principalmente está en función del caudal de diseño
por evacuar, de las características geométricas escogidas para el canal, de la
pendiente del terreno y del material a utilizar.
El canal diseñado debe ser capaz de resistir las velocidades que se desarrollen en él
y de conducir el agua sin rebosarse para el periodo de retorno seleccionado.
Este tipo de canales generalmente se construye en concreto reforzado, lo que
garantiza una buena resistencia ante altas velocidades de flujo, por ejemplo, entre
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10 y 20 m/s, y en particular para los tipos de concreto (según su resistencia a la
compresión) que normalmente se usan en el país. Además, por los caudales que se
manejan en estos canales, muy difícilmente se alcanzan velocidades que superen lasindicadas.
2.
RÁPIDAS ESCALONADAS
Son canales con gradas o escalones (Ver Fotografía 8) donde, a la vez que se
conduce el agua, se va disipando la energía cinética del flujo por impacto con los
escalones, llegando el agua al pie de la rápida con energía disipada, por lo que no se
hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequeña.
Primero, se debe definir el régimen preferencial del flujo para el caudal de diseño,
en cuanto a si este sería saltante (se caracteriza por una sucesión de chorros en
caída libre que chocan en el siguiente escalón, seguidos por un resalto hidráulico
parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en él, el agua fluye sobre los escalones
como una corriente estable rasando sobre ellos y amortiguándose por el fluido re
circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la disipación de la
energía, en el régimen saltante, se produce en cada escalón, al romperse el chorro
en el aire, al mezclarse en el escalón o por formación de resaltos hidráulicos; y en el
régimen rasante, se produce en la formación de vórtices en las gradas, debido a quelas gradas actúan como una macro rugosidad en el canal.
Para el diseño de rápidas escalonadas se recomiendan los siguientes pasos3, sin
profundizar en el tema por no ser el propósito de este documento:
Estimar el caudal de diseño.
Evaluar la geometría del canal (pendiente, altura y ancho).
Seleccionar la altura óptima del escalón, para obtener el régimen de flujo
seleccionado.
Calcular las características hidráulicas del flujo.
Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En losregímenes de flujo saltante se debe airear el salto en su caída libre de unescalón a otro.
Diseñar la cresta de la rápida.
Calcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre pararecoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos.
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8DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
Si se desea disipar mayor energía se puede adicionar elementos para este propósito
como bloques de cemento o salientes en la grada (que bloquean el flujo), rápidas
escalonadas con tapas (que interceptan los chorros de agua) o rápidas escalonadascon vertedero y pantalla (forman resalto hidráulico y atenúan el golpe del agua).
3.
COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS
Son estructuras conformadas por canales de rápidas lisas que incluyen en su
desarrollo longitudinal un escalón u otro elemento disipador de la energía cinética
del flujo, prescindiendo en la mayoría de los casos del empleo de estructuras
disipadoras en el pie de la estructura.
A este tipo de estructuras pertenecen el Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y el
Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC); estas estructuras requieren de un
diseño especial debido a que disipan la energía del flujo a lo largo del canal y no al
pie de ésta.
1.4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS1.
Coeficiente de Rugosidad de MANNING
En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo sonusados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING “n”
cuando se calcula la altura de muros en una rápida de concreto, se asumevalores de n=0.14 y en el cálculo de niveles de energía valores de n=0.010.
Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froudea lo largo del tramo rápido, para evitar que el flujo no se despegue delfondo.
2.
Transiciones
Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la
formación de ondas. Un cambio brusco de sección, sea convergente ó divergente,
puede producir ondas que podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a
través del tramo inclinado y el disipador de energía. Para evitar la formación de
ondas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie de agua en el plano de
planta desarrollado de cada lado de una transición no debería ser menor que 3.375
veces el número de FROUDE (F). Esta restricción sobre ángulos de deflexión se
aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el tramo inclinado o
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en la poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el
máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada
puede ser aproximadamente 30°. El ángulo de la superficie de agua con el eje en latransición de salida puede ser aproximadamente 25 ° como máximo. El máximo
ángulo de deflexión es calculado como sigue:
Cotang α = 3.375 F (1)
Dónde:
(2)
d = tirante de agua normal al piso de la rápida usando d = Área de la sección / Ancho
superior de la sección.
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/seg², o sea 32.2 pies/seg²).
K = un factor de aceleración, determinado abajo:
- Con el piso de la transición en un plano, K = 0- Con el piso de la transición en una curva circular
(3)
- Con el piso de la transición en una curva parabólica:
(4)
El Bureau of Reclamation limita el valor de K hasta un máximo de 0.5, para asegurar unapresión positiva sobre el piso. Puede ser usado el promedio de los valores de F en el
inicio y final de la transición.
En (3) y (4)
hv = carga de velocidad en el origen de la trayectoria (a)
Lt = longitud de la trayectoria (m)
R = radio de curvatura del piso (m)
V = velocidad en el punto que está siendo considerado (m/seg)
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θ = ángulo de la gradiente del piso en el punto que está siendo considerado
θL
= ángulo de la gradiente del piso en el inicio de la trayectoria θ
θo
= ángulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria L
El ángulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transición
pueden ser calculados y trazados. Una cuerda que se aproxime a la curva teórica
puede ser dibujada para determinar el acampanamiento a ser usado. Limitando el
ángulo de acampanamiento en una transición de entrada, se minimiza la posibilidad
de separación y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura. Las
transiciones de entrada asimétricas y cambios de alineamiento inmediatamente
aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque pueden producir ondas
cruzadas o flujo transversal que continuará en el tramo inclinado.
3.
Tramo Inclinado
La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del
flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de
ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción
son siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario
incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) paramantener la estructura dentro de la cimentación. Para rápidas menores de 9 m (30
ps) de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La ecuación de
BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado.
La ecuación:
d1 + hv + Z = d2 + hv (5)
Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevación del piso. Para tramos
inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las pérdidas por fricción y laecuación será:
d1 + hv + Z = d2 + hv2 + hf (6)
En las ecuaciones (5) y (6):
d1 = tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m)
hv1 = carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m) d2 = tirante en el
extremo aguas abajo del tramo (m)
hv2 = carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m)
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11DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
La cantidad ho es la pérdida por fricción en el tramo y es igual a la pendiente de fricción
promedio So en el tramo, multiplicando por la longitud del tramo L. El coeficiente n de
MANNING es asumido en 0.010. La pendiente de fricción Sf, en un punto del tramo
inclinado es calculado como:
Sf = (h2v2)/R4/3
Dónde:
R = radio hidráulico del tramo inclinado (m) Usando la ecuación (5) o la (6), se asume d2
y se calcula y comparan los niveles de energía. Deben hacerse tanteos adicionales hasta
balancear los dos niveles de energía. Otra forma de la ecuación en que la fricción es
considerada es:
L= ((d1 + hv1) – (d2 + hv2))/(Sa – S) (7)
Dónde:
Sa
= pendiente de fricción promedio
S = pendiente de fondo del tramo inclinado
Usando la ecuación (7), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequeños
cambios de energía y se calcula el correspondiente cambio en longitud. Este
procedimiento es repetido hasta que el total de los incrementos en longitud sea
igual a la longitud del tramo que está siendo considerado. Mientras menor sea elincremento de longitud, mayor será la precisión.
La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta sería igual al
máxima tirante calculado en la sección, más un borde libre, o a 0.4 veces el tirante
critico en el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde
libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos
(con una capacidad < 2.8 m3/seg es 0.30 m) El tirante y borde libre son medidos
perpendicularmente al piso del tramo inclinado.
En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen,debido al aire incorporado que está siendo conducido. El borde libre recomendado
para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.
4.
Trayectoria
Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe
conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria
entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más
suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes mássuaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el
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12DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica resultaría en un valor de k
constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria
parabólica puede ser determinada con la siguiente ecuación:
Y = X tan Ѳo+ ((tan Ѳ
L- tan Ѳ
o) x
2)/2L
T (8)
Dónde:
X = distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria. (m)
Y = distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m)
LT = longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m)
Ѳo= ángulo de inclinación del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria
ѲL = ángulo de inclinación del tramo inclinado al final de la trayectoria.
Puede seleccionarse una longitud de trayectoria LT, que resulte en un valor
K = 0.5 o menos, cuando es sustituida en la ecuación (4). La longitudL
Tes usada entonces en el cálculo de Y, usando la ecuación (8).
La trayectoria debería terminar en la intersección de los muros del tramo inclinadocon los muros de la poza disipadora o aguas arriba de este punto. Una curva de granlongitud de radio, ligeramente más suave que la trayectoria calculada, podríanusarse. Si es posible la trayectoria debe coincidir con cualquiera que sea la
transición requerida. Se asume una elevación para el piso de la poza disipadora y secalcula el gradiente de energía en la unión del tramo inclinado y el piso de la poza.Las variables de flujo en este punto son usados como las variables aguas arriba delsalto hidráulico en el diseño de la poza disipadora.
5.
Poza Disipadora
En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendientepronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la
pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con eltramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y laenergía es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionadapara contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, elnúmero de FROUDE debería estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la pozadisipadora. Si el número de FROUDE es aproximadamente menor a 4.5 no ocurriríaun salto hidráulico estable. Si el número de FROUDE es mayor a 10, una pozadisipadora no sería la mejor alternativa para disipar energía. Las pozas disipadorasrequieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde laturbulencia pueda ser contenida. A veces son usadas pozas con muros divergentes,
que requieren atención especial. Para caudales hasta 2.8 m3/s la ecuación:
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13DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
Dónde:
b = ancho de la poza (m)
Q = Caudal (m3/s)
Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los cálculos iniciales Para
estructuras donde la caída vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de energía
después del salto hidráulico debería balancearse con al cota del nivel de energía del
canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua después del salto hidráulico
puede ser calculado de la fórmula:
Dónde:
d1 = Tirante antes del salto (m)
v1 = velocidad antes del salto (m/s)
d2 = tirante después del salto
g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
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14DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
RELACION ENTRE PÉRDIDA DE ENERGIA, TIRANTE CRÍTICO Y TIRANTES DE AGUA DE RESALTO (AGUAS
ARRIBA Y ABAJO) PARA RESALTOS HIDRAULICOS EN CANALES RECTANGULARES CON RASANTE
HORIZONTAL
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15DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
Para estructuras donde la caída vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante después
del salto puede ser obtenida de la figura 2. La cota del nivel de energía, después del
salto hidráulico debería balancearse con la cota del nivel de energía en el canal, aguas
debajo de la estructura.
Si las cotas no están balanceadas, debería asumirse una nueva elevación para el piso de
la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energía. Los
tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido.
Si la revisión indica, el piso de la poza debería ser bajado o también se podría asumir un
ancho diferente de la poza para luego repetir el procedimiento de diseño.
La longitud mínima de poza (Lp) para estructuras usadas en canales es normalmente 4
veces d2. Para estructuras en drenes, donde el flujo será intermitente y de cortaduración, la longitud mínima puede ser alrededor de 3 veces d2. El borde libre es
medido sobre el nivel máximo de energía después del salto hidráulico.
Cuando la poza disipadora descarga intermitentemente o descarga hacia un cauce
natural u otro no controlado, debería construirse un control dentro de la salida de la
poza para proveer el tirante de aguas abajo necesario. El tirante crítico en la sección de
control debe ser usado para determinar el nivel de energía después. Cuando la poza
descarga hacia un canal controlado, el tirante en el canal debe ser calculado con un
valor n del canal, reducido en un 20% y este tirante usado para determinar el nivel de
energía después. Si se usa una poza con paredes divergentes, el ángulo de deflexión delos muros laterales no debería exceder el ángulo permitido en los muros de la sección
inclinada. Se puede usar lloraderos con filtro de grava para aliviar la presión hidrostática
sobre el piso y los muros de la poza disipadora y transición de la salida. Son provistos
bloques en el tramo inclinado y el piso para romper el flujo en chorro y para estabilizar
el salto hidráulico.
Si una transición de salida no es provista, se requerirá de un sólido umbral terminal. La
cara aguas arriba del umbral debería tener una pendiente 2: 1 y la cara después debería
ser vertical. La cota de la cima del umbral debería ser colocada para proveer el tirante
aguas abajo en el salto hidráulico.
POZA DISIPADORA Y UMBRAL TERMINAL
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16DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS
Una poza disipadora y una transición de salida construidas para las dimensiones
recomendadas tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el
agua turbulenta, pero la estructura debe contener suficiente de la turbulencia para
prevenir daños por erosión después de la estructura.
6.
Formación de Ondas
Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros
de la rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no sería
un disipador efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto
hidráulico estable. Un flujo no estable y pulsátil puede producirse en rápidas largas
con una fuerte pendiente. Estas ondas se forman en rápidas largas deaproximadamente 60 m y tienen una pendiente de fondo más suave que 20. La
máxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la
pendiente, y la capacidad máxima de flujo momentáneo y pulsátil es dos veces la
capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden también formarse en
una rápida. Estas son causadas por:
1. Transiciones abruptas de una sección del canal a otra;2. Estructuras asimétricas;3. Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.
La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida,
siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas
en las secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de dirección
en las estructuras. Algunas secciones de la rápida son más probables a sufrir ondas que
otras secciones. Secciones poco profundas y anchas (tipo plato) parecen ser más
susceptibles a flujo transversal, mientras que secciones profundas y angostas resisten
tanto al flujo transversal como al flujo inestable y pulsátil Las secciones de rápida que
teóricamente pueden prevenir la formación de ondas han sido desarrolladas. Un tramo
de rápida teóricamente sin ondas es mostrado en la siguiente figura:
SECCIÓN TEÓRICA DE UNA RÁPIDA DE FLUJO ESTABLE. LA FORMA TRIANGULAR PROVIENE TANTO DE LAS
ONDAS CRUZADAS COMO DE FLUJO NO ESTABLE
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1.5. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO:
1. Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada.2. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida.
3. Calcula las variables de flujo en la sección de la rápida.
4. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida.
5. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular lascaracterísticas del flujo aguas arriba del salto hidráulico.
6. Determinar el gradiente de energía en el canal después del saltohidráulico.
7. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza yrecalcular los valores arriba mencionados varias veces, antes de que seobtenga una coincidencia de niveles de energía.
8. Revisar por operación adecuada con capacidades parciales.
9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.
10. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal otransición de salida como se requiera.
11. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.
12. Proporcionar protección en el canal después, si es requerido.
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II. DESARENADOR
2.1. CONCEPTOSSon obras hidráulicas que sirven para separar (decantar) y remover
(evacuar)después,elmaterialsólidoquellevaelaguadeuncanal.
Tieneporobjetoseparardelaguacrudalaarenaypartículasensuspensión
gruesa, con la finalidad que se produzcan depósitos de la obras de
conducción,protegerlasbombasdelaabrasiónyevitarsobrecargasenlos
procesosposterioresdetratamiento.Eldesarenadorserefierenormalmente
alaremocióndelaspartículassuperioresa02mm.
CLASES DE DESARENADORES
1. DESARENADO DE LAVADO CONTINUO.-La sedimentación y la evacuación con dosoperaciones simultáneas.
2. DESARENADORES E LAVADO DISCONTINUOS.- (Intermitente) que almacena y luego
expulsa los sedimentos en movimientos separados.
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2.2. PARTES DEL DESARENADOR:
2.2.1 Transición de entrada. Tiene como función el conseguir una distribución
uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizado a su vez
la velocidad.
2.2.2 Cámara de sedimentación. Las partículas sólidas caen al fondo, debido a la
disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección
transversal.
Para la arcilla 0.081 m/s
Para la arena fina 0.16 m/s
Para la arena gruesa 0.216 m/s
De esto se tiene el diseño de desarenadores para una velocidad entre 0.1
m/s y 0.4 m/s con profundidad media entre 1.5m y 4m , con sección
transversal rectangular o trapezoidal dando mejor resultado hidráulico la
sección trapezoidal para pendientes entre 1:5 y 1:8.
2.2.3 Vertedero. Pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las
que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el
desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea
posible debe trabajar con descarga libre. La velocidad límite es 1 m/s, para
evitar turbulencias.
2.2.4 Compuerta de lavado. Sirve para desalojar los materiales de depósitos en el
fondo, para facilitar el movimiento de las arenad hacia la compuerta, al
fondo del desarenador se le da una gradiente fuertes de 2 al 6%,incrementando de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente
CANAL DE
TRANSICIÓN DECAMARA DE SEDIMENTACIÓN
VERTEDERO
CANAL DE
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no se incluye en el tirante de cálculo, si no que el volumen adicional se lo
toma como depósitos para las arenas sedimentarias entre dos lavados
sucesivo.
2.2.5 Canal directo. El cual da servicio mientras se está lavando el desarenador,
tiempos cortos.
2.3. PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO
2.3.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS
Pre tratamiento y acondicionamiento previos
Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en
suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas. La sedimentación
es un proceso muy importante. Las partículas que se encuentran en el agua
pueden ser perjudiciales en los sistemas o procesos de tratamiento ya que
elevadas turbiedades inhiben los procesos biológicos y se depositan en el medio
filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua
efluente de los filtros.
2.3.2. INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO
a. Caudal de Diseño
Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal
máximo diario.
b. Calidad fisicoquímico del agua
Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de
pre tratamiento y acondicionamiento previo.
c. Características del clima
Variaciones de temperatura y régimen de lluvias.
2.3.3. ESTUDIO DE CAMPO
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a) Estudio de fuentes: que incluya los aforos y los regímenes de caudal de por lo
menos los últimos tres años.
b) Zona de ubicación: levantamiento topográfico a detalle, análisis de riesgo y
vulnerabilidad de ella a desastres naturales.
c) Análisis de suelos y geodinámica
d) Análisis de la calidad del agua.
2.3.4. ALTERNATIVAS DEL PRETRATAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO PREVIO
La selección de los procesos dependerá de la calidad del agua, los riesgos
sanitarios involucrados, y la capacidad de la comunidad. Normalmente las plantas
de tratamiento de agua en el medio rural utilizan los desarenadores y
sedimentadores convencionales.
2.3.5. ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE AGUA DE LA FUENTE
Parámetros básicos de calidad del agua.
E. Coli, se aceptan como alternativa las bacterias coliformes fecales.
Turbiedad.- En aquellos lugares donde se tenga evidencia de la
existencia de sustancias nocivas o metales pesados se deberán
exigir los análisis respectivos.
2.3.6. ANÁLISIS DE RIESGO Y VULNERABILIDAD DE LAS INSTALACIONES
a Análisis de riesgo:
Los diseños deben contemplar los riesgos que conllevan las amenazas
más frecuentes de fenómenos naturales y otros predominantes en la zona:
lluvias, sequías, sismos, etc., principalmente en cuanto a su ubicación.
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b Vulnerabilidad:
De las estructuras e instalaciones a:
Crecidas e inundaciones.
Períodos de sequía.
Contaminación de la fuente.
Intensidad y magnitud de sismos.
Erosión.
2.3.7. DISEÑO DEL DESARENADOR
a Zona de entrada
Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de
flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.
b Zona de desarenación
Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de
partículas por acción de la gravedad.
c Zona de salida
Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una
velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.
d Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada
Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el
deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.
2.3.8.
CRITERIOS DE DISEÑO
El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos
es de 8 a 16 años.
El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de
mantenimiento.
El periodo de operación es de 24 horas por día.
Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al
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desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de
entrada.
La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.
La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más
eficiente en régimen laminar
La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición
con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000.
La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores
de número de Reynolds mayores de 1 000.
2.4. NORMATIVIDAD
La Norma 0S.020 del Reglamento Nacional de Edificaciones nos manifiesta lo
siguiente:
2.4.1. ALCANCES
Establece las condiciones generales que debe cumplir los desarenadores.
2.4.2. REQUISITOS
a Remoción de partículas:
Aguas sin sedimentación posterior deberá eliminarse 75% de las
partículas de 0.1 mm de diámetro y mayores.
Aguas sometidas a sedimentación posterior deberá eliminarse 75%
de la arena de diámetro mayor a 0,2 mm. Deberá proyectarse
desarenadores cuando el agua a tratar acarree arenas. Estas
unidades deberán diseñarse para permitir la remoción total de estas
partículas.
b Criterios de Diseño:
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El periodo de retención debe estar entre 5 y 10 minutos.
La razón entre la velocidad horizontal del agua y la velicidad de
sedimentación de las partículas debe de ser inferior a 20.
La profundidad de los estanques debe de ser de 1,0 a 3,0 m.
En el diseño se deberá considerar el volumen de material
sedimentable que se deposita en el fondo. Los lodos podrán
removerse según procedimientos manuales o mecánicos.
Las tuberías de descarga de las partículas removidas deberán tener
una pendiente mínima de 2%.
La velocidad horizontal máxima en sistemas sin sedimentación
posterior será de 0.17 m/s y para sistemas con sedimentación
posterior será de 0.25 m/s.
Deberá existir, como mínimo, dos unidades.
2.5. EJEMPLO REAL
2.5.1. PROYECTO RAPAY
1. Toma y Desarenador Huayllapa: Donde se captará y desarenará parte de las
aguas del río Huayllapa.
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2. Túnel de Conducción Huayllapa (6.2 Km.): Conducirá las aguas desde el
Desarenador Huayllapa hasta la entrada del Pique Vertical 1.
3. Toma y Reservorio Pumarinri: Donde se captará y embalsará parte de las aguas
del río Pumarinri.
4. Túnel de conducción Pumarinri (5.1 Km.): Conducirá las aguas desde el
Reservorio Pumarinri hasta la entrada del Pique Vertical 1.
5. Pique Vertical 1: A través de este túnel las aguas caerán 850 m. En el pie de la
caída se ubicará la Casa de Máquinas 1.
6. Casa de Máquinas 1: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde
se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. La
energía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de
Transmisión.
7. Túnel de Descarga 1 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas
utilizadas para la generación eléctrica al río Pumarinri, sin alteración alguna en su
calidad.
8. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 1: Permitirá el ingreso del personal a la
Casa de Máquinas 1 para labores de operación y mantenimiento.
9. Toma y Reservorio Sahuay: Donde se captará y embalsará parte de las aguas
del río Pumarinri.
10. Túnel de Conducción Rapay (4.9 Km.): Conducirá las aguas desde el
Reservorio Sahuay hasta la entrada del Pique Vertical 2.
11. Pique Vertical 2: A través de este túnel las aguas caerán 660 m. En el pie de la
caída se ubicará la Casa de Máquinas 2.
12. Casa de Máquinas 2: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde
se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. Laenergía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de
Transmisión.
13. Túnel de descarga N° 2 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas
utilizadas para la generación eléctrica al río Rapay, sin alteración alguna en su
calidad.
14. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 2: Permitirá el ingreso del personal a la
Casa de Máquinas 2 para labores de operación y mantenimiento.
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15. Línea de Transmisión: Transportará la energía eléctrica generada en las Casas
de Máquinas 1 y 2.
2.5.2. PLANTA DE TRATAMIENTO RIO RIMAC
1. Río Rímac
2. Dosificador de polímeros
3. Desarenadores
4. Precloración
5. Estanques reguladores
6. Dosicación de coagulantes
7. Decantación
8. Planta de recirculación
9. Filtración
10. Cloración
11. Reservorio de almacenamiento