INGENIERÍA CIVIL
HIDROENERGÍA HIDROENERGÍ A
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
ASIGNATURA:
DOCENTE:
ALUMNOS:
TEMA:
BARRAJE FIJO FUSIBLE – RÍO CHONTA
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HIDROENERGÍA HIDROENERGÍ A
INDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………… .…………3 OBJETIVOS…………………………………………………………………………………….3 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………….3 ALCANCES……………………………… ALCANCES…………………………………………………… …………………………………………… ………………………………..3 ………..3 UBICACIÓN…………………………………………………………………………………….4 REVISIÓN DE LITERATURA…………………………………………………………………5 LITERATURA…………………………………………………………………5 METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO…………………………………………………….10 PROCEDIMIENTO…………………………………………………….10 RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………………………………………...16 DISCUSIÓN……………………………………………………………...16 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………………...28 RECOMENDACIONES……………………………………………...28 BIBLIOGRAFÍA…………………………………… BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………… …………………………………………..28 …………………..28 ANEXOS………………………………………… ANEXOS……………………………………………………………… ……………………………………….……2 ………………….……29 9
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INDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………… .…………3 OBJETIVOS…………………………………………………………………………………….3 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………….3 ALCANCES……………………………… ALCANCES…………………………………………………… …………………………………………… ………………………………..3 ………..3 UBICACIÓN…………………………………………………………………………………….4 REVISIÓN DE LITERATURA…………………………………………………………………5 LITERATURA…………………………………………………………………5 METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO…………………………………………………….10 PROCEDIMIENTO…………………………………………………….10 RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………………………………………...16 DISCUSIÓN……………………………………………………………...16 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………………...28 RECOMENDACIONES……………………………………………...28 BIBLIOGRAFÍA…………………………………… BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………… …………………………………………..28 …………………..28 ANEXOS………………………………………… ANEXOS……………………………………………………………… ……………………………………….……2 ………………….……29 9
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I.- TITULO:
HIDROENERGÍA HIDROENERGÍ A
DISEÑO DE BARRAJE FIJO FUSIBLE – RÍO CHONTA”
“
II.- INTRODUCCIÓN: INTRODUCCIÓN: En la carrera de Ingeniería I ngeniería,, el barraje es una represa construida a través del río con el objeto de levantar el nivel de agua del mismo, su altura debe ser tal que permita una carga de agua suficiente en la toma, para el ingreso seguro del agua en esta, considerando las pérdidas de carga que se producen en los muros, rejillas y compuertas de sección en la toma. El barraje fijo fusible fue construido tomando en cuenta todos los criterios de diseño con la finalidad de que esta estructura funcione sin tener ninguna falla durante el tiempo de vida útil; como sabemos un barraje es una estructura hidráulica que el ingeniero utiliza para conducir un fluido por donde la topografía es llana. Para este trabajo se tomó medidas in situ para su posterior elaboración de planos en planta y en perfil así como su diseño hidráulico.
III.- OBJETIVOS:
Objetivo Principal Diseñar un barraje en forma teórica, y luego verificar de forma experimental. Objetivos Secundarios Aforar el canal de derivación derivación del río Chonta por por el método del flotador. Realizar los planos vista en planta y en perfil del barraje fijo fusible. Identificar cada una de las partes de un barraje para poder realizar el diseño del mismo.
IV.- JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN En la práctica que se desarrolló, se hizo una visita a la estructura Hidráulica “Barraje Fijo Fusible del Río Chonta” que se encuentra ubicado en el distrito de Baños del Inca – Inca – Cajamarca, Cajamarca, para su posterior diseño hidráulico y elaboración de planos.
V.- ALCANCES Wincha de 100 m. Flotador de tecno por. Cronómetro Cámara fotográfica. Útiles de escritorio.
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VI. UBICACIÓN La estructura hidráulica se encuentra ubicada en: Departamento: Provincia: Distrito:
Cajamarca. Cajamarca. Baños del Inca.
Coordenadas UTM: Norte: Este: Cota:
9208317.82 779898.737 3671 m.s.n.m Croquis de Ubicación.
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VII.- REVISIÓN DE LITERATURA
BARRAJE O AZUD Palabra de origen árabe que significa 'barrera', siendo este habitual para elevar el nivel de un caudal o río con el fin de derivar parte de este caudal a las acequias. Realmente es una presa, pero suele conservar la denominación de origen árabe cuando se corresponden a presas de pequeño tamaño. Por lo general son estructuras de hormigón y su sección transversal es de forma curvilínea para adaptarse a los principios de la mecánica de fluidos, de esta manera se minimiza el rozamiento del agua con la superficie del azud para evitar la erosión.
Tipologías de los azudes Los primeros azudes fueron construidos colocando una serie de obstáculos en el río. Se podían realizar cruzando un tronco en la corriente o bien disponiendo una serie de piedras sueltas para contención del agua. Se pueden distinguir diversos tipos de azudes
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según los materiales empleados:
▪ Escollera: Se construyen entrelazando piedras sueltas en la corriente. Son elementos poco resistentes y muy puntuales. En algunos ríos de bajo caudal se siguen utilizando sacos de plástico llenos de tierra para desviar el agua. ▪ Estacada: Son aquellos que pivotan con troncos el lecho de un río. Entre los troncos se insertan ramas, tablas u otros elementos vegetales para contención de la corriente. También son elementos muy poco resistentes solo se utilizan en ríos con pequeñas corrientes. ▪ Tablas de madera: Se trata de una evolución de la tipología anterior, insertando troncos, en ocasiones encajados en la roca del lecho picada para la ocasión, entre los que se insertan tablas. ▪ Azudes de mampostería o cantería: Suelen presentar una planta recta opuesta a la dirección de la corriente, aunque en otros ríos también pueden presentar forma semicircular. En muchas ocasiones el suelo carece de la estabilidad suficiente para sustentar la sillería, por lo que hay que realizar un pilotaje previo o zampeado de madera para estabilizar el terreno. ▪ Azudes mixtos: Los azudes de mampostería y tajaderas (o tablas de madera) son los más habituales. ▪ Azudes de hormigón: En las últimas décadas se ha procedido a renovar los principales azudes, sustituyendo la mampostería por el hormigón ya que este proporciona unas mejores características frente a la erosión del agua.
Según la función del barraje:
a) Barraje Fijo: Es una estructura sólida 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 colmatación de solidos que puede traer la inutilización de la toma o el ingreso de abundante material solido a través de la ventana de captación. b) Barraje Móvil: 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 hidráulico se recomienda cuando el rio presenta un periodo de crecidas con caudales muy altos. c) Barraje Mixto: Constituye la combinación de los dos anteriores formado imparte por una estructura fija y el resto por un sistema de compuertas que se aprovechan para usarlo como un canal de limpia del material solido acumulado.
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Barraje Fijo Fusible Es un tipo de barraje mixto en el cual se presenta dos tipos de barraje:
El fijo que se encuentra en la parte central del eje del río que se apoya sobre material rocoso y está construido a base de concreto en forma semicircular o parabólica.
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El fusible que se encuentra a los dos costados del eje del río siendo un obstáculo de enrocamiento, semejante a un terraplén pero con la característica de tener que fallar por acción del empuje del agua.
Componentes del barraje fijo fusible
Muros de encauzamiento (muros de protección):
Es una estructura de concreto que se construye a los márgenes del río para controlar excedente de agua en las máximas avenidas, es recomendable que su cota superior este por lo menos a 0.50 m por encima del nivel máxima de agua.
Bocal de toma:
Es la estructura que está ubicada en una de los márgenes del río, hacia aguas arriba de la presa derivadora y tiene por objeto captar las aguas.
Reja de entrada:
Impide que pase hacia la conducción material sólido flotante demasiado grueso. Para esto el umbral de la reja se pone a cierta altura sobre el fondo del río y la separación entre barrotes normalmente no pasa de 20 cm. El objetivo básico es impedir que los materiales de arrastre y suspensión ingresen en el canal de derivación los cuales causan obstrucción desbordes de agua debajo de la captación.
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Compuerta de regulación:
La finalidad es regular y controlar el caudal de ingreso, se recomienda que la velocidad de ingreso frente a la compuerta varíe de 1.0 a 2.5 m/s.
Colchón disipador o zampeado al pie del azud (disipador de energía):
Sirven para disipar la energía de manera que el agua pase al cauce no revestido con velocidades lo suficiente bajas.
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Enrocado de protección (Escollera):
Se construye al final del colchón con el fin de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.
Compuerta de purga o canal de limpia:
Es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos, que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante delas ventanas de captación, este se ubica en un extremo del azud, al lado de la reja de entrada.
Vertedero, aliviadero o limitador de gasto:
Son estructuras para eliminar los excesos de agua o elevación del tirante normal, por fallas en las compuertas o consumos menores a los estimados, pueden ser de sección rectangular y se instalan con el nivel máximo del canal.
VIII.- METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO Diseño Hidráulico El diseño radicará en obtener las dimensiones del Barraje el cual es tipo vertedero, sección transversal rectangular y que tiene por objetivo elevar el nivel del agua para que el caudal requerido ingrese por el bocal.
A. Altura de Umbral. Viene a ser la altura a la que se encuentra la ventana de captación, se expresa por la siguiente expresión: Dónde:
Xd: Tamaño medio de las rocas que transporta el río. d50: Tamaño de partículas de la curva granulométrica.
B. Bocal o ventana de captación. Para diseñar la Ventana se sigue el siguiente procedimiento: Presumir una longitud del bocal “L b” menor o igual a 1.50 veces el ancho de la plantilla del canal principal.
Considerar el espesor del Umbral “E” en metros, de acuerdo a las características del muro de encausamiento.
Calcular “hO” aplicando la fórmula del gasto para un vertedero rectangular .
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Dónde: QO: Caudal de diseño del canal principal en m 3/seg. C: Coeficiente de descarga.
Cálculo de la pérdida de carga por rejilla (hr )
Dónde: e: Diámetro de las varillas de la rejilla en cm. a: Separación entre varillas. V10: Velocidad del agua frente a la rejilla en m/seg.
Altura de bocal.
Dónde: bl: Borde libre (varía de 5 a 10 cm).
C. Ancho del barraje (T). El ancho del barraje se determina de acuerdo a la forma de la sección, para lo cual se toma en cuenta dos consideraciones:
Parabólica: Cuando la sección es parabólica o irregular el ancho del barraje es:
T=lO BARRAJE FIJO FUSIBLE – RÍO CHONTA
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Trapezoidal: Cuando la sección es del tipo trapezoidal se tendrá en cuenta lo siguiente:
Si
Si
D. Dirección del flujo.
T = lO
En ocasiones el bocal tiene cierta inclinación con respecto al eje del río, en tales casos se debe de corregir las pérdidas por rejilla mediante un factor de corrección que se muestra en la tabla.
β1
e/a
0°
10°
0.10
1.00
0.20
1.00 1.17 2.18 3.34 5.72
0.30
1.00 1.10 1.50 2.00 2.60 4.55 6.14
0.40
1.00 1.08 1.33 1.66 2.15 3.19 4.55
0.50
1.00 1.06 1.28 1.53 1.94 2.68 3.76
0.60
1.00 1.06 1.26 1.45 1.81 2.37 3.34
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20°
30°
40°
50°
60°
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E. Perfil del barraje. La siguiente figura indica el perfil más adecuado de la cresta del Barraje Fijo:
La ecuación más recomendada para el perfil es la siguiente:
Pero además de dicha ecuación existen otros dos tipos de perfil:
Perfil de SCIMEN
Perfil de CREAGER
( ) ( )
Las coordenadas del punto de tangencia (X t,Yt) dependen del talud “Z” y debe garantizar la estabilidad de la estructura. Para hallar las coordenadas, se encuentra la derivada de la curva y se iguala a la pendiente de la recta. Es recomendable utilizar: Z = 1.5
F. Solado colchón disipador. Para lo cual utilizaremos el principio de la conservación de la energía para poder calcular los tirantes.
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Cálculo de VH:
Para lo cual utilizaremos las siguientes expresiones:
Además debemos tener en cuenta que las pérdidas hf 0-1 están dadas por la siguiente expresión:
Cálculo del tirante comprimido Y1:
Teniendo en cuenta la ecuación de la Conservación de la energía se tiene:
Además:
El tirante comprimido y V 1 se calcularán al resolver el sistema de ecuaciones.
Cálculo del tirante conjugado Y 2:
Aplicando la ecuación de energía entre las secciones 1 y 2, tenemos:
Cálculo del tirante normal Y n:
Finalmente calculamos el tirante normal utilizando la siguiente fórmula:
Longitud del colchón disipador y del zampeado:
Para determinar la Longitud del Colchón Disipador se utilizan las siguientes fórmulas empíricas:
Dónde F1 es el número de Froude:
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La longitud del zampeado será calculado utilizando cualquiera de las siguientes fórmulas:
Espesor del colchón disipador:
Para determinar el espesor, debemos determinar la supresión en el punto considerado, el cual será a la mitad del colchón disipador, para lo cual se tiene lo siguiente:
Dónde:
w: Peso específico del C° h: Supresión en el punto considerado.
( )
Dónde:
Sp: Camino de percolación parcial (Hasta la mitad del colchón disipador) St: Camino de percolación total. Al inicio del colchón disipador, el espesor debe ser suficiente para resistir el impacto del agua que baja desde el azud:
G. Enrocado de protección o escollera:
La longitud de escollera recomendada por Bling es:
Dónde:
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Además “C” es el coeficiente de Bling, el cual depende del tipo de material en el lecho del cauce. Lecho del cauce
"C"
Arena fina y limos
15 - 18
Arena fina y limos
12
Arena gruesa y gravas
9
Bolonería, gravas y arenas
4-6
H. Altura del muro de encauzamiento:
Altura del muro aguas arriba: Se utilizará la siguiente expresión:
bl: 0.40 a 0.60 m.
Altura del muro aguas abajo: Se utilizará la siguiente expresión:
IX.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN BARRAJE FIJO Y EL BOCAL (O VENTANA DE CAPTACION) DATOS: * Ancho “T” de la sección del río. T = 25 m * Pendiente: En un tramo de 55.02 metros de longitud, con un nivel medimos las cotas que tiene en el tramo de inicio y tramo final de la longitud del canal. COTA INICIAL: 1.605 m COTA FINAL : 1.915 m DISTANCIA : 55.02 m
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DISEÑO DEL BOCAL O VENTANA DE CAPTACION:
1º Determinamos las dimensiones del canal principal para lo cual utilizaremos la fórmula de Maning:
Suponemos una sección rectangular y de máxima eficiencia hidráulica, así tenemos:
DATOS DE INGRESO Pendiente:
Coeficiente Rugosidad: n = 0.016, tabla 1, Silvio A. para concreto de losa encofrada con madera. Ancho solera: b = 0.65 m Tirante: y = 0.54 m
CALCULOS Área Hidráulica:
= 0.351 m2.
Perímetro Mojado: b+2y = 1. 73 m
= 0.203 m Q calculado: = 0.009 m /s Radio Hidráulico:
3
y/b = 0.831, aproximado a 0.83
Velocidad = 0.026 < V. erosiva, (V. erosiva = 3 m/s). f ’c = 210kg/cm 2
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Nº Froude = 0.011 Flujo subcrítico.
V=
m/s
A = 0.351 m2
m3/s
2º Calculamos la altura del Umbral del Bocal (Pb)
̅
* Características físicas del lecho:
̅
d =
30 cm
d50 = 1.5 cm
Reemplazando tenemos:
Como:
Pb ≥ 40cm
Entonces: Pb = 40 cm
3º Calculamos la longitud "Lb" del bocal Tenemos que L b es menor igual que el ancho de la plantilla del canal principal, entonces:
Por lo tanto asumimos una L b: Lb = 1 m
4º Calculamos el espesor del umbral "E" Se estimará un espesor de: E= 25 cm
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5º Cálculo de la carga hidráulica "ho"
Qo = 0.203 m3/s
Tomamos el Coeficiente de descarga variable "C", Tipo Grada. C = 1.70 Lb = 1 m Despejamos "h o" y reemplazando lo valores correspondientes tenemos: ho = 0.242 m
6º Cálculo de la Pérdida de Carga por Rejilla "hr "
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Hallamos la Velocidad del agua frente a la rejilla:
Qo = 0.203 m3/s Lb = 1 m ho = 0.242 m V1 = 0.837 m/s
Entonces la Pérdida de Carga por Rejilla "h r " será:
K = 1.79
Coeficiente que depende de la forma de la varilla.
e = 2.54 cm
Diámetro de las varillas de la rejilla (cm)
a = 10 cm
Separación entre varillas (cm)
V1 = 0.837 m/seg e/a = 0.254 C = 1.1
Factor de corrección.
α = 90°
Inclinación de la rejilla.
hr = 0.01 m hr = 0.011 m
Valor Corregido.
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Entonces el número de varillas son:
Nº Var = 8
7º Calculamos la altura del bocal "hb"
ho = 0.242 m hr = 0.01 m
Sabemos que el bl varía entre 5 - 10 cm. Entonces asumimos: bl = 0.06 m Entonces:
hb = 0.312 m
8º Calculamos la altura total de BARRAJE "P"
ho = 0.242 m Pb = 0.4 m hr = 0.01 m
= 1.52 grados
Sabemos que d b varía entre 1 - 2 m por lo que asumimos: db = 1.30 m P = 1.00 m
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DISEÑO DEL BARRAJE
X
.
.
= 2H Y
H
0.175H R1
Ho
0.282H
Tenemos que la ecuación de la curva del barraje:
Fórmula a emplear (Perfil de Scimen)
1º Calculamos la Carga en Máximas Avenidas "H":
Qmax = 146.58 m3/s
Tenemos que el coeficiente de descarga para un vertedero cimacio es: C=2 T = 25.00 m Despejando H o y reemplazando valores tenemos: Ho = 2.10 m
Entonces tenemos: VH = 2.792 m3/s
Hf = 0.04
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H = 1.703 m
2º Calculamos los Radios y Distancias del Barraje:
R1 = 0.851 m R2 = 0.341 m
X2 = 0.48 m X1 = 0.3 m
3° Calculamos las coordenadas del punto de tangencia:
X t = 1.14 Y t = 0.41
X1,85 = 3.77*Y
X
Y
(-) Y
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.83
0.000 0.005 0.016 0.035 0.059 0.089 0.125 0.167 0.213 0.228
0.000 -0.005 -0.016 -0.035 -0.059 -0.089 -0.125 -0.167 -0.213 -0.228
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PERFIL DEL BARRAJE 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.000 -0.050 -0.100 Y -0.150 -0.200 -0.250
DISEÑO DEL SOLADO O COLCHON DISIPADOR DE ENERGÍA
1º Calculamos el tirante crítico "y1" y "V1": Se utiliza la siguiente fórmula:
……………………… δ
y1: Tirante crítico comprimido (0.5 - 1.00)
……………………… φ
VH = 2.792 m/s
Asumimos “r ” ya que varía entre (0.5 - 1m) r = 0.50 m P=1m Ho = 2.10 m Hallamos el valor de V 1: Qr = 146.58 m3/s y1 = 0.572 m T = 25 m BARRAJE FIJO FUSIBLE – RÍO CHONTA
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V1 =6.72 m/s
Utlizamos la ecuación φ
V1 =7.48 m/s
Utlizamos la ecuación δ
2º Hallamos el tirante conjugado "y2"
y2 = 2.28 m Además:
dn = 1.78 m
3º Hallamos la longitud del colchón de amortiguamiento
√ Por lo tanto:
Escogemos el valor de LD de acuerdo a las características del barraje.
LD = 8.56
m
LU = 3.10
LU = 5.03
De estos tomamos el mayor, según criterio del ingeniero: LU = 5.03 m
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4º
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Espesor del solado o colchón disipador El espesor e se ubica en el centro de longitud del colchón de amortiguamiento. W= h = W=
peso específico de concreto supresión en el punto considerado 2400 Kg/cm2
Se recomienda que "e" mayor o igual que 0.40 m También se recomienda tomar el 10%, como se muestra en la ecuación:
hf = 0.043 m
Sp = St =
camino de percolación parcial camino de percolación considerado
Sp = 15.67 St = 22.06 Despejando "h" y reemplazando los valores correspondientes tenemos: h= e=
0.060 m 0.0000252 m
Observamos que “e” es menor que 0.4, pero la recomendación es que: emin ≥ 40cm Entonces tomamos: e = 0.40 m
Δh =
1.18 m
q = 3.84
Entonces tenemos:
e1 = 0.41 m
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5º Enrocado de protección o escollera.
q = 3.84
Tomamos el coeficiente Blingh de la tabla (cuaderno) para una arena gruesa y grava. C=9 Aplicando la ecuación de energía tenemos que Db = P Db = 0.86 m Lt = 10.96 m LD = 8.56 m Ls = 2.40 m
6º Altura de los muros aguas arriba y aguas abajo Muro aguas arriba
H = 2.10 m P=1m db = 1.30 m θ = 1.52°
El bl debe estar entre 40 y 60 cm, según el revestimiento y el caudal. bl = 0.50 m Reemplazando datos tenemos: Hu = 3.43 m
Muro aguas abajo V1 = d1 = F1 = d2 = bl =
7.48 0.57 3.16 2.28 0.50
Reemplazando datos tenemos: HD = 1.87 m HD = 1.90 m
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X.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se identificó cada una de las partes de un barraje para poder realizar el diseño del mismo. Se determinó el caudal del canal de derivación. Se realizaron los planos vista en planta y perfil. Se recomienda Utilizar programas que agilicen al cálculo, debido a la gran cantidad y relación de los datos. Se recomienda un mantenimiento y limpieza general del barraje de una manera periódica para evitar su deterioro y/o colapso prematuro.
XI.- BIBLIOGRAFÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA.- Ing. Edgar Gustavo Sparrow Alamo - Bocatoma Fluvial. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL VALLE.- Ing. José Luis García Vélez – Diseño de estructuras hidráulicas. MANUAL DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS.- Ing. Hugo Amado Rojas Rubio – Lineamientos para el diseño de tomas de captación. AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA. http://www.slideshare.net/LuisSantillanTafur/bocatoma es.scribd.com/doc/179885343/informe-estructural-pdf http://www.slideshare.net/jorgeberrios7737/b-26624232 Apuntes de clase.
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XII.- ANEXOS
Fotografía N° 01: Midiendo la longitud del muro de encauzamiento.
Fotografía N° 02: Midiendo el espesor del muro de encauzamiento.
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