BOCATOMA

INGENIERIA HIDRAULICA II DISEÑO DE BOCATOMA

INTRODUCCIÓN. En el crecimiento poblacional se ha incrementado la demanda de cult cultiv ivos os de prim primer era a nece necesi sida dad, d, es esto to a su vez vez ha moti motiva vado do la implementación de nuevas áreas de cultivo, mas grandes y con mayo ma yorres nece necesi sida dade dess de agua agua para para pode poderr llev llevar arla lass a buen buen termino; anteriormente se utilizaba una pequeña toma de agua que la derivaba hacia un canal rustico para derivar las aguas hacia la zona de riego. En la actual actualida idad d se necesi necesitan tan mayor mayores es conduc conduccio ciones nes de agua agua depe depend ndie iend ndo o del del área área de cult cultiv ivo o y las las nece necesi sida dade dess de agua agua potable, potable, con este propós propósito ito el conocimien conocimiento to ha evolucionad evolucionado o y desde el siglo XX ya se han han implementado las pequeñas tomas en infraestructura mas grande denominadas bocatomas. El caudal de captación de una bocatoma mediana esta en el rango de !" lit#se lit#seg g hasta hasta $"" lit#se lit#seg, g, las las bocat bocatom omas as mas mas gran grandes des captan caudales caudales de de mas de %""" lit#seg lit#seg hasta hasta !""" lit#seg, lit#seg, . &ara efectos de poner en práctica el estudio de la bocatoma se ha propuesto realizar el diseño con los requerimientos m'nimos para la estructuración de una bocatoma, iniciando con el ancho de encauzamiento, dimensionamiento de las ventanas de captación y compuertas de regulación, as' como del barra(e )(o y otros que son necesarios para una bocatoma. El emplazamiento se realiza en la *egión *egión +oquegua, se ha elegido el egido el rio orata como cauce de escurrimiento. escurrimient o.

ANTECEDENTES. UBICACIÓN. -a bocatoma se emplazara en la cuenca del rio orata en el sector de Estuquiña y servirá para irrigar el área circundante por deba(o del nivel de agua; agua; asimismo asimismo se prev prev que e/iste e/iste una planta planta de trat tratam amie ient nto o para ara la cual cual tamb tambi in n se debe debe abas abaste tece cerr co con n la dotación que se requiere.

OBJETIVOS -

-

0iseñar la bocatoma de captación utilizando los mtodos de dise diseño ño most mostra rado doss en el sill sillab abus us ac acad adm mic ico o del del curs curso o de 1ngenier'a 2idráulica. 3tilizar la e/periencia del desarrollo del proyecto para realizar futuros traba(os de cálculo a nivel acadmico. 1


-

3tiliz 3tilizar ar los mtodos mtodos e/pli e/plicad cados os en la biblio bibliogra graf'a f'a del tema tema tratando de discernir los parámetros utilizados y plasmarlos en el presente diseño vigilando la congruencia de los resultados por comparación.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. El proyecto se encuentra encuentra ubicado en la cuenca del r'o orata orata en la zona zona ma mass ba(a a(a ce cerrca can na al sec ecto torr de es estu tuqu quiñ iña a la zona zona es montañosa y la geograf'a es apropiada para la instalación de obras de captación, la di)cultad es la construcción de las obras de deri deriva vaci ción ón debi debido do a que que la mont montañ aña a es de roc oca a só sóli lida da y es necesario el uso de e/plosivos para la conformación de las v'as de acceso y el canal de derivación, esta situación eleva los costos grandemente. &ara )nes acadmicos se da por realizados las construcciones del canal de conducción limitándose solamente al diseño del mismo de acuerdo acuerdo a las e/igencias de la ingenier'a hidráulica. El diseño de la bocatoma consiste en la determinación de las dimensiones de los elementos involucrados, tambin se trata de determinar las cotas de elevación del barra(e y las ventanas de capt ca ptac ació ión; n; los los elem elemen ento toss de co cond nduc ucci ción ón co como mo el ca cana nall y la compuerta de regulación se calcularan de acuerdo al tirante de entrada. 4e está implementando el diseño de un desarenador antes del ingreso del canal de derivación. 4e ha iniciado con la elección de la cuenca a donde se instalara instalara la boca bocato toma ma,, sigu siguie iend ndo o los los paso pasoss de cá cálc lcul ulo o es esti tipu pula lado doss en la información bibliográ)ca, se ha realizado los cálculos siguientes5 -

6alculo del ancho de encauzamiento. 0eterminación del tirante normal del rio. 0iseño de la compuerta de regulación. 0istribución del ancho de encauzamiento. 0iseño de las ventanas de captación. 0iseño de la altura de pantalla. 0iseño del barra(e y poza de disipación. 0iseño de la ca'da inclinada. 0iseño del desarenador. 0iseño de un aforador parshal.

AFORADOR PARSHALL. 2


-

3tiliz 3tilizar ar los mtodos mtodos e/pli e/plicad cados os en la biblio bibliogra graf'a f'a del tema tema tratando de discernir los parámetros utilizados y plasmarlos en el presente diseño vigilando la congruencia de los resultados por comparación.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. El proyecto se encuentra encuentra ubicado en la cuenca del r'o orata orata en la zona zona ma mass ba(a a(a ce cerrca can na al sec ecto torr de es estu tuqu quiñ iña a la zona zona es montañosa y la geograf'a es apropiada para la instalación de obras de captación, la di)cultad es la construcción de las obras de deri deriva vaci ción ón debi debido do a que que la mont montañ aña a es de roc oca a só sóli lida da y es necesario el uso de e/plosivos para la conformación de las v'as de acceso y el canal de derivación, esta situación eleva los costos grandemente. &ara )nes acadmicos se da por realizados las construcciones del canal de conducción limitándose solamente al diseño del mismo de acuerdo acuerdo a las e/igencias de la ingenier'a hidráulica. El diseño de la bocatoma consiste en la determinación de las dimensiones de los elementos involucrados, tambin se trata de determinar las cotas de elevación del barra(e y las ventanas de capt ca ptac ació ión; n; los los elem elemen ento toss de co cond nduc ucci ción ón co como mo el ca cana nall y la compuerta de regulación se calcularan de acuerdo al tirante de entrada. 4e está implementando el diseño de un desarenador antes del ingreso del canal de derivación. 4e ha iniciado con la elección de la cuenca a donde se instalara instalara la boca bocato toma ma,, sigu siguie iend ndo o los los paso pasoss de cá cálc lcul ulo o es esti tipu pula lado doss en la información bibliográ)ca, se ha realizado los cálculos siguientes5 -

6alculo del ancho de encauzamiento. 0eterminación del tirante normal del rio. 0iseño de la compuerta de regulación. 0istribución del ancho de encauzamiento. 0iseño de las ventanas de captación. 0iseño de la altura de pantalla. 0iseño del barra(e y poza de disipación. 0iseño de la ca'da inclinada. 0iseño del desarenador. 0iseño de un aforador parshal.

AFORADOR PARSHALL. 2


&ara ara el dise diseño ño del del afor aforad ador or pars parsha hall se ha disp dispue uest sto o que que un porcenta(e del caudal derivado por el canal sea entregado entregado a otro otro sector con )nes de cultivo, por esa razón. 3n caudal de ".78" m7#seg se enviara hacia otros usos y se deberá medir con el aforador parshall, el cálculo demuestra las medidas )nales del aforador.

DESARENADOR. -a bocatoma de nuestro diseño debe construirse con la instalación de un desarenador para limitar la velocidad del 9u(o de agua y permitir la decantación de las part'culas solidas en suspensión que traen las aguas del rio. 0ebido a que el caudal de captación es regularmente pequeño ".8! m7#seg m7#seg no se requier requiere e de un desarenado desarenadorr muy grande, grande, la longitud de la nave del desarenador debe estar en el orden de los %! a " metros lo que se demostrara con el cálculo respectivo de dimensionamiento del mismo. -a long longit itud ud dime dimens nsio iona nada da debe debe se serr su)c su)cie ient nte e para para logr lograr ar la retención de los materiales en suspensión en el agua; de esta manera manera el agua pasa pasa al canal de conducc conducción ión o trasvase trasvase con un m'nimo de part'culas sólidas que a largo plazo se asentar'an en la solera del canal. -as part -as part'c 'cul ulas as se ma mant ntie iene nen n en susp suspen ensi sión ón debi debido do a que que la velocidad de entrada a la bocatoma es elevada y su)ciente para arras arrastr trarl arlas. as. Esto Esto ocurr ocurre e especi especialm alment ente e en tiempo tiempo de creci crecidas das cuan cuando do entr entran an a las las co cond nduc ucci cion ones es gran grande dess ca cant ntid idad ades es de sedimentos. 0urante las crecientes, la cantidad de sólidos en los r'os de montaña puede llegar a ser del : al < en volumen del caudal, y del ". al %," en los r'os de llanura. El prop propós ósit ito o del del desa desarrenad enador or es el de elim elimin inar ar part part'c 'cul ulas as de mate ma teri rial al só sóli lido do susp suspen endi dida dass en el agua agua.. &ara ara que que es esta tass se decanten se debe disminuir la velocidad de entrada mediante la variación de la pendiente anterior del canal. -a velo veloci cida dad d de la co corrrien riente te en el desa desarrenad enador or no debe debe se serr supe superi rior or a ".! ".! m#s, m#s, dado dado que que en velo veloci cida dade dess supe superi rior ores es las las part'culas no se decantan. 3


INDICE

CAPITULO I

INTRODUCCION 2 1. MARCO TEÓRICO 3 1.1. DESARROLLO HISTORICO DE LAS BOCATOMAS EN EL PERU 3 1.2. DEFINICION DE BOCATOMA 4 1.3. MATERIALES MAS USADO EN SU CONSTRUCCION 4 1.4. ELEMENTOS FUNDAMENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE BOCATOMAS 6 1.5.1U!"#"!$% 6 1.4.2T&'&()#*+# , 1.4.3C&%-!"!&%/ G&0$(!"#/  G&"%!"#/ , 1.4.4I%*&)#"!$% H!-)&0$(!"#  1.4.5C&%-!"!&%/ E"&0$(!"#/  1.4.6O)&/ 1 1.5. DISEÑO HIDRAULICO 1 1.5.1T!'&/ - B&"#&# 11 4


1.5.2R0#"!$% %) 0&"#0!7#"!$% - 0# /)8"8)# - &#  0# ')/# - -)!9#"!$% 13 1.5.3C&%-!"!&%/ -0 0":& - 0# ')/# - -)!9#"!$% 13 2. MEMORIA DE C;LCULO 15 2.1. ESTIMACIÓN DEL ANCHO DE ENCAU 2.3. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE REGULACIÓN 1, 2.4. DISEÑO DE LAS VENTANAS DE CAPTACIÓN 23 2.5. C;LCULO DE LAS ALTURAS DE LOS MUROS PANTALLA FRONTAL Y MURO DE TRANSICIÓN 24 2.6. DISEÑO DE BARRAJE 2, 2.>. DISEÑO DE LA POSA DISIPADORA DE ENERG=A 2 2.,. LONGITUD DE PO
5


INTRODUCCION El presente traba(o corresponde al diseño de una bocatoma en cual se considerara un canal con una sección de má/ima e)ciencia hidráulica, canal que tambin tendrá que ser diseñado. El traba(o se encuentra dividido de la siguiente manera5 •

&rimera parte, corresponde al +arco eórico en el cual se desarrollan conceptos básicos que hay que tener en cuenta para el diseño de una bocatoma, en esta parte tambin se encuentra la memoria de cálculo, en el cual se detalla el procedimiento que se ha seguido paso a paso en el diseño de dicha estructura, además se enumeran todas las formulas y ecuaciones utilizadas en este proceso.

•

-a segunda parte está conformada por la ho(a de cálculo elaborada en E/cel, en donde se realizo todo el cálculo necesario para la realización del diseño.

•

En la tercera parte se ad(untan los planos realizados una vez determinadas las dimensiones de la estructura, en esta parte se consideran una vista en planta, un per)l y dos cortes.

=inalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones a las que se llegaron luego de todo el proceso que se ha seguido para el diseño.

6


ESTRUCTURAS DE CAPTACION DISEÑO DE BOCATOMA 1. MARCO TEÓRICO 1.1

DESARROLLO HISTORICO DE LAS BOCATOMAS EN EL

PERU. Es ampliamente conocida la vocación hidráulica del poblador peruano a travs del tiempo; muchas obras de irrigación a lo largo de todo el territorio atestiguan la calidad y funcionalidad de dichas obras, entre ellas tenemos5 El 6anal de >chirana en lca, el 6anal 2uaca -a 6ruz en -ambayeque, El sistema de regad'o en ?azca e lca, El abastecimiento de agua a la ciudad del 6uzco y +achupicchu. >s' podr'amos ampliar la lista anterior citando numerosos e(emplos de obras hidráulicas; pero conviene hacer notar que en las pocas pre@inca e inca son donde se construyen estas obras, entrando a un oscurantismo en la poca colonial y en los inicios de la poca republicana. 6on la llegada del ingeniero 6harles 4utton, la 1ngenier'a 2idráulica en el &erA retoma la senda del progreso; es en esta poca que el ingeniero 4utton en compañ'a de (óvenes ingenieros peruanos B+ercado, Cóngora, -ama, Cilardi, etc.D logran la concepción y en algunos casos la construcción

de

algunas

obras

hidráulicas

nuevas

o

complementarias que permitieron el incremento de la frontera agr'cola. &ero desgraciadamente nunca ha e/istido una pol'tica de continuidad para la construcción de obras hidráulicas proyectadas, sino que estas han continuado de estudio en estudio buscando la rentabilidad de los proyectos, situación no imposible de lograr, pero s' bastante dif'cil de conseguir en nuestro pa's por las razones ya conocidas Bdi)cultades topográ)cas, precios ba(os de los productos agr'colas, etc.D &or >


estas razones, y debido a la falta de una pol'tica agraria de parte de nuestros gobernantes es que, si se desarrollan proyectos, estos han sido e(ecutados muy espaciadamente. > ra'z de la presencia de las entidades crediticias internacionales tales como5 1*=, 10, >10, etc., es cuando se logra retomar una nueva etapa o repunte de la construcción de pequeñas, medianas y grandes irrigaciones y#o proyectos de recuperación de

terrenos

agr'colas

afectados

por

salinidad

o

empantamiento. 0entro de este conte/to se han desarrollado los proyectos de riego o me(oramiento de tierras, y en los cuales una de las principales partes del proyecto ha sido la captación del agua desde la fuente del suministro. En este curso nos ocuparemos de aquella captación que se origina en un r'o, en estas condiciones se le conoce como bocatoma o estructura de captación de cabecera y en los te/tos en ingles se les denomina 2eadForGs, 1ntaGes,etc.

1.2

CONCEPTO DE BOCATOMA

4e de)ne as' a la estructura que tiene )nalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un r'o, para irrigar una área ba(o riego o generar energ'a mediante su utilización en una central hidroelctrica. En este curso sólo trataremos de aquellas tomas que captan en forma directa las aguas del r'o sin ninguna estructura de almacenamiento; tipo presa. *ealizando una visión a travs del tiempo, desde un punto de vista tcnico, podemos establecer tres etapas del desarrollo de la construcción de bocatomas.

1.3

MATERIALES

M;S

UTLI
EN

SU

CONSTRUCCIÓN #. E'0& - #-)#  '!-)#/ >nte las limitaciones de las tcnicas de uso del concreto, manufactura del acero o generación de energ'a, se usaron ,


la madera y piedras BcaballosD como elementos principales para la construcción de las bocatomas. Es conocido que las bocatomas construidas de este modo son arrastradas y destruidas durante la poca de avenidas a pesar de que se construyen tratando de darle la menor resistencia al efecto erosivo del rió. BHer )g.%D.

.

E'0& -0 

#")&

0 "&%")& Esta

se

etapa

caracteriza

con la aparición de nuevas tcnicas de fabricación del concreto y el acero, as' como la introducción de la energ'a elctrica para la operación y construcción, haciendo posible la edi)cación de vertederos r'gidos con mayor resistencia. 4in embargo, esto genera problemas

de roturas en los

diques laterales, debido al impacto directo de las aguas hacia ellos, tal como se indica en la )g.. &ara prevenir este problema se recomienda construir el vertedero en el




ángulo recto con respecto a la dirección del 9u(o, siendo la mayor parte del cauce del r'o cubierto por el vertedero o barra(e. B)g.7D

". E'0& - #@8!%#)!# '/#-# -a etapa más reciente se caracteriza con la aparición de potentes

maquinarias

para

la

construcción

civil

Bretroe/cavadoras, bulldozers, etc.D y el empleo de nuevas tcnicas en ingenier'a civil y en la comunicación, los que han permitido la construcción de cimentaciones que pueden alo(ar compuertas de grandes luces que son accionadas

por

equipos

con

sistemas

elctricos

o

hidráulicos, recomendándose siempre la necesidad de contar con un equipo au/iliar independiente para casos de emergencia. >ctualmente e/isten grandes luces de vertederos móviles que son controlados con censores a control remoto que permiten un mane(o más apropiado del caudal del r'o que discurre a travs de la bocatoma. B)g. :D.

1


1.4

ELEMENTOS FUNDAMENTALES A SER TOMADOS EN

CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE BOCATOMAS >ntes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe e/aminar los siguientes aspectos5

1.4.1.

U!"#"!

%$Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del r'o, para la que se recomienda que el sitio elegido reAna por lo menos las siguientes condiciones5 -a dirección a ruta del 9u(o de agua debe ser lo más estabilizada o de)nida. a. -a captación del agua a ser derivada debe ser posible aAn en tiempo de estia(e. b. -a entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el má/imo posible. 3n punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente aguas 11


aba(o del centro de la parte cóncava en los

tramos

curvos del r'o B)g. !D

-ógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las

condiciones

topográ)cas

Bcota

de

captaciónD,

condiciones geológicas y geotcnicas, condiciones sobre facilidades constructivas Bdisponibilidad de materialesD, evitar posibles inundaciones a daños a construcciones vecinas, etc. E/iste posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se va a regar utilizando una misma estructura las dos márgenes, en este caso se recomienda la ubicación del barra(e estará en un tramo recta del r'o.

1.4.2.

T&'&()#*+#

0e)nida la posible ubicación, se realizarán los siguientes traba(os topográ)cos5

12


c. -evantamiento en planta del cauce del r'o, entre !""m. a %"""m; tanto aguas arriba como aguas aba(o del e(e del barra(e, la escala recomendada es %5""". d. -evantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de %""m. / %""m. como m'nimo, la escala no debe ser menor de %5!"". e. &er)l longitudinal del r'o, por lo menos %"""m, tanto aguas arriba como aguas aba(o del e(e del barra(e; la escala recomendada es 2 I %5""" J H I %5"". f.

4ecciones transversales del cauce

del r'o a cada

!"m. en un tramo comprendido %"""m. aguas arriba y !""m. aguas aba(o del e(e del barra(e; la escala variara entre %5%"" y %5"".

1.4.3.

C&%-!"!&%/ G&0$(!"#/  G&"%!"#/

Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotcnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos K geotcnicos5

a. 6urva de graduación del material conformarte del lecho del r'o. b. 4ección transversal que muestre la geolog'a de la zona de ubicación de la bocatoma. c. 6oe)ciente de permeabilidad.

13


d. 6apacidad portante. e. *esultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas. f.

1.4.4.

6antidad de sedimento que transporta el r'o.

I%*&)#"!$% H!-)&0$(!"#

Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del r'o, ya que esto permitirá garantizar el caudal a derivar y as' como de)nir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son5 a. 6audal del diseño para una avenida má/ima. b. 6audales medios y m'nimos. c. 6urva de caudal versus tirante en la zona del barra(e. Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la bocatoma, se ha e(ecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo que se da por descontado que e/iste un estudio hidrológico sumamente detallado, y que para nuestro caso, sólo se usaran los datos anteriormente recomendados.

1.4.5.

C&%-!"!&%/ E"&0$(!"#/

4iempre toda construcción en un r'o causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras

que

compensen

este

desequilibrio causado por la bocatoma; aunque debemos reconocer que, en nuestro pa's estas estructuras son de 14


costo elevado y que siempre se tratan de obviar por limitaciones presupustales; como por e(emplo la escalera de peces y camarones.

1.4.6.

O)&/

En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en cuenta para la construcción de la bocatoma; estas son de orden legal, ya que, mediante la bocatoma por efecto del remanso que se forma, podr'an inundarse terrenos aledaños o construcciones anteriores Bpuentes, caminos, etc.D. >simismo en algunos casos será necesario pedir autorización del 1nstituto ?acional de 6ultura por la e/istencia de restos arqueológicos. &or este motivo, todo diseño se deberá ser previamente coordinado con todos los demás entes estatales y particulares que estn relacionados de alguna manera con el r'o donde se va a construir la bocatoma, con el )n de evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la construcción de una estructura en el mismo cauce.

1.5

DISEÑO HIDRAULICO

Es comAn que los terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a considerable distancia del cauce del r'o de donde se pretende obtener el agua, o en algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del agua en el r'o. En consecuencia es necesario remontar el r'o con la )nalidad de encontrar un lugar apropiado topográ)camente que permita el riego de dichos terrenos, situación no siempre fácil de encontrar, ya que podr'a ser que topográ)camente sea factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no sea lo apropiado; por lo que a veces es necesario formar la carga 15


hidráulica mediante la construcción de una presa de derivación que permita elevar el nivel de 1a super)cie del agua en el r'o a )n de que sea posible captar parte del caudal del r'o en forma oportuna y e)ciente. Bver )gura
1.5.1T!'&/ - B&"#&# En lo referente a los tipos de bocatomas, podemos clasi)car en :, a saber5

#. T&# -!)"# 4e trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo )(o del r'o que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. 4u mayor venta(a es que no se necesita construir un barra(e o azud que por lo general constituye una de las partes de mayor costo. 4in embargo; tiene desventa(a de ser obstruida fácilmente en poca de crecidas, además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

. T&# M!# & C&%9%"!&%#0 4e trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del r'o con una estructura llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser )(a o 16


móvil dependiendo del tipo del material usado. 4erá )(a cuando se utiliza un elemento r'gido, por lo general concreto, y será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera. -a captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puede funcionar como ori)cio o vertedero dependiendo del tirante en el r'o.

". T&# M$9!0 4e llama as' aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barra(e móvil. 4on tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la poca de estia(e y avenida, necesitan disponer de un barra(e relativamente ba(o, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado. > los barra(es con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a travs de ellos se les conoce como barra(e móvil. 4u principal venta(a es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barra(e vertedero o azud.

-. T&# T!)&0/# & C#8"#/!#%# 4on tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, en un espacio de(ado en l, protegido por una re(illa que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en r'os donde el arrastre de sedimentos es intenso, ye que podr'a causar rápida obstrucción de las re(illas. 6onviene comentar que la gran mayor'a de r'os del &erA son muy (óvenes y arrastran gran cantidad de sedimentos en pocas de 1>


crecidas, por lo que la construcción de estas tomas debe ser donde las condiciones lo favorezcan. &ara concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un caudal determinado previamente, depende de la altura del vertedero, de las condiciones de la cimentación, del 9u(o en el r'o, remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los materiales de construcción y del monto del dinero asignado pare 1a e(ecución de la obra.

1.5.2R0#"!$% %) 0# L&"#0!7#"!$% - 0# E/)8"8)# - T&#  0# P)/# - D)!9#"!$% ásicamente la ubicación de la estructura de toma B1ntaGeD está

orientado en función del sedimento de

arrastre que trae el r'o, ya que ste puede ingresar al canal o depositarse delante de la toma. &or esta razón es que 1a captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentos puedan ser arrastrados por el 9u(o del r'o y si hay posibilidad de ingreso de sedimentos hacia el canal sta debe ser lo m'nimo posible. 0e este modo, en un tramo recto del r'o, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba del e(e de la presa de derivación, formando un ángulo entre <"L y $"L. >simismo se recomienda, de ser posible, que el e(e de la toma forme un ángulo de "o a 7"o con respecto al r'o. 4i se tiene que colocar la toma en tramos curvos, como ya se ha e/plicado anteriormente, debe estar en la zona cóncava, ya que es la parte donde los sedimentos son en menor cantidad.

1.5.3C&%-!"!$% -0 L":& - 0# P)/# - D)!9#"!

%$1,


Es muy importante investigar el sub@suelo donde se apoyará la presa, ya que el conocimiento de ste permitirá )(ar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas en el diseño. -a investigación del sub@suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades de determinación de la capacidad admisible de carga y de evaluación de la erodibilidad del lecho. 6omplementariamente, es importante mencionar otros aspectos geológicos@ geotcnicos a tener en cuenta al proyectar obras hidráulicas5 su ubicación en zonas con riesgos de falla por fenómenos de geodinámica e/terna y los criterios de e/ploración y e/plotación de canteras que proveerán los materiales Bagregados, rellenos, a)rmados, etc.D, necesarios para la e(ecución de las obras. -a investigación del sub@suelo hecha por mtodos directos o indirectos. -os siguientes son los mtodos directos usados con )nes de e/ploración del sub@suelo5 %.!.7.%P)*&)#"!$% &ermite identi)car et tipo de materiales que conforman el lecho, determinar 1a estructura del subsuelo y obtener muestras para ensayos de mecánica de suelos. El tipo, longitud y nAmero de perforaciones variará de acuerdo al criterio del especialista, pero por lo menos deben e(ecutarse perforaciones en el e(e del barra(e vertedero, aguas aba(o y 1


aguas arriba del e(e de las compuertas de limpia, en el colchón disipador y en los tramos laterales. El ob(etivo de 1a perforación es la toma de muestras alteradas o inalteradas dependiendo de los materiales y la e(ecución de ensayos in situ.

1.5.3.2

C#0!"##/

&ermiten una visualización directa de los estratos y del lecho del r'o, asimismo se pueden obtener muestras para ensayos y determinación de la 6apacidad &ortante del terreno. 4e le considera el mtodo más apropiado, pese a las limitaciones obvias que presentan la necesidad de entibado y bombeo, as' como la boloner'a de gran tamaño, normalmente presente en los lechos de los r'os.

1.5.3.3

S&%-&/

> continuación se mencionan los más usuales5 a. Ensayo de &enetración 4tandard B4&D b. Ensayo con el &enetrómetro 0inámico -igero B&0-D c. Ensayos de 6arga d. Ensayos de ombeo e. Ensayos sobre &ilotes f. de

+ovimiento del -echo del r'o durante la poca >venidas

2. FORMULAS EMPLEADAS PARA EL DISEÑO 2.1. ESTIMACIÓN DEL ANCHO DE ENCAU

Ceneralmente para determinar el ancho de encauzamiento se utilizan las siguientes formulas establecidas por5

FORMULA DE BLENOH

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s =b I =actor de fondo. %." K +aterial grueso. ".8" K +aterial )no. =s I =actor de orilla ".%" K +aterial de suelto. "." K +aterial ligeramente cohesivo. ".7" K +aterial cohesivo.

FORMULA ALTUNIN

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s 4 I &endiente promedio del cauce del rio. a

I &arámetro que caracteriza el cauce del rio. ".!" K Nona de alta montaña. ".O! KNona de montaña, cauces con cantos rodados, gui(arros y corrientes rápidas. %."" KNona intermedia, cauce con arena gruesa, media, )na, corriente

tranquila.

%.%" K Nona de planicie, rio caudaloso. %.7" K *io poco caudaloso.

FORMULA PITIT

21


0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s &ara hallar el ancho de encauzamiento, calculamos el promedio de los tres resultados.

2.2. CALCULO DEL TIRANTE NORMAL DEL RIO %) Empleamos la formula de +anning5

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s > I Prea de la sección transversal del r'o. * I *adio 2idráulico de la sección del r'o. 4 I &endiente promedio del r'o. n I 6oe)ciente de rugosidad +anning.

ynr

r

0onde r I >ncho de encauzamiento o base del r'o.

22


*eemplazando estos valores tenemos5

6on la cual podremos hallar el tirante normal del rio.

2.3. DISEÑO DE LA COMPUERTA DE REGULACION 6onsiste en determinar los valores de los diferentes tirantes, en base a las ecuaciones de continuidad, eornulli y cantidad de movimiento.

CALCULO DEL TIRANTE Y1 &ara determinar este valor del tirante y% empleamos la formula de +anning.

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s > I Prea de la sección transversal del canal de derivación. * I *adio 2idráulico de la sección del canal de derivación. 4 I &endiente promedio del canal. n I 6oe)ciente de rugosidad +anning. 4egAn el esquema de la zona de captación tenemos un canal de sección rectangular, hacemos las siguientes sustituciones5

23


0onde % I >ncho del canal de derivación. *eemplazando en la ecuación de +anning tenemos5

6on la ecuación anterior podemos determinar el valor de y%.

CALCULO DEL TIRANTE Y2

0el gra)co tenemos5

*eemplazando para cada sección

24


Eliminando Q obtenemos la siguiente igualdad5

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s g I >celeración de la gravedad $.8% m#s % I ase del canal de derivación.  I ase en el e(e . y% I irante de agua y%. 6on la ecuación anterior podemos calcular el valor del tirante y.

CALCULO DEL TIRANTE Y3 >plicando eornulli entre los e(es  y 7 obtenemos el siguiente gra)co5

0el gra)co5

25


>demás

*eemplazando hc en la ecuación anterior obtenemos5

0onde5 R7, R

I 6oe)ciente de 6oriolis, que es ligeramente mayor que la unidad, debido a que todos los puntos de la sección de una corriente no tienen la misma velocidad.

hf

I &erdidas por fricción que en este caso se desprecia por ser una distancia corta.

N7, N

I 6otas en los puntos  y 7 Bse consideran igualesD

H7, H

I Helocidades en los puntos  y 7.

g

I >celeración de la gravedad.

hc

I &erdida por contracción del cauce.

26


N&# / - 9)!"#) 0 9#0&) - :" # @8 / 9#0&) - /) /!') '&/!!9&. E% "#/& - %& /) '&/!!9& / - "#!#) 0# )0#"!

%$.

6on la ecuación anterior encerrada en el cuadro podremos determinar el valor de y7.

2.4. DISEÑO DE LAS VENTANAS DE CAPTACION. >plicando ernoulli entre los e(es 7 y : obtenemos

el

siguiente gra)co.

0el gra)co tenemos5

>demás

*eemplazando en la ecuación anterior tenemos

2>


0onde5 R7, R:

I 6oe)ciente de 6oriolis, que es ligeramente mayor que la unidad, debido a que todos los puntos de la sección de una corriente no tienen la misma velocidad.

hf

I &erdidas por fricción que en este caso se desprecia por ser una distancia corta.

N7, N:

I 6otas en los puntos : y 7

H7, H:

I Helocidades en los puntos : y 7.

g

I >celeración de la gravedad.

hc

I &erdida por contracción del cauce.

NOTA 

E% 0 /@8# (%)#0 / !%-!"# 0 %)& - 9%#%#/ - "#'#"!$%.



L#/ 9%#%#/ - "#'#"!$% (%)#0% /&% - 2 # 4 )&/.



S - 9)!"#) 0 9#0&) - :" !(8#0 @8 % 0 "#/& -0 !)#% 3.

2.5. CALCULO

DE

LA

ALTURA

DE

MUROS

PANTALLA

FRONTAL Y MURO DE TRANSICIÓN. 2,


P#)# -)!%#) 0# "&# - ")/# - #))#

0onde =s es un factor de seguridad

E"8#"!$% - "#8-#0 /&) 9)-)&

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s 6 I 6oe)ciente de descarga para el tipo de vertedero. -

I -ongitud del vertedero o arra(e.

2 I 6arga sobre el vertedero. 0espe(ando 2 de la ecuación obtenemos5

Mue es la carga sobre el vertedero

N!90 - #(8#/ !#/ NAM 2


C&# - 0# '#%#00# *)&%#0

0onde =s es un factor de seguridad que corresponde al " de 2d.

A08)# -0 #))# - /!% "!%#"!

%$0onde 6=* cota de fondo del r'o

E"8#"!$% - &)!"!& /8)(!-&

0onde M I 6audal má/imo de diseño en m7#s. > I Prea neta de los ori)cios o ventanas, descontando " si las ventanas tienen re(illas. 6 I 6oe)ciente de gasto de ori)cio sumergido o de fondo segAn sea el caso. Sh I 6arga de agua para el ori)cio.

E"8#"!$% - M#%%!%( '#)# 8%# /""!$% )"#%(80#)

El cálculo del tirante yn se realiza mediante tanteos. &ara facilitar el proceso hacemos los siguientes reemplazamos5

3


0espe(ando Sh para % y  en la ecuación B%D tenemos5

0e la ecuación B7D despe(amos BSh%TShD

*eemplazando las ecuaciones : y ! en la ecuación B
P)&"-!!%& 

>sumimos un valor de yn y hallamos M en BOD



2allamos M% en B7D



0ebe cumplirse que MUM%, si no se cumple se repite nuevamente el procedimiento.

LONGITUD DE TRANSICION &ara el diseño de la transición se considerara la siguiente e/presión5

2.6. DISEÑO DEL BARRAJE &ara el diseño del barra(e nos valdremos de la siguiente tabla. 31


2.>. DISEÑO DE LA PO
32


-a energ'a en los e(es B"D y B%D

0onde Ho I "

0e la )gura EoIE% despe(ando H% tenemos5

&or continuidad en el e(e B%D

0onde -b I -ongitud de barra(e. M% I 6audal má/imo de diseño. 0espe(ando y%

33


0e la )gura El procedimiento de cálculo se realiza mediante un tanteo doble siguiendo la siguiente secuencia5

1. 4e asume un valor de

y

a los que llamaremos

y

2. 4e calcula

con la ecuación B7D

3. 4e calcula

con la ecuación B:D al que llamaremos

4. 6on los

hallamos

5. 6on

hallamos

6. 2allamos >. 6on

con la ecuación B%D

con la ecuación BD

con la ecuación B!D

hallamos un nuevo valor de

con la ecuación B
al que llamaremos

,. Heri)camos las siguientes igualdades

. En caso de cumplirse las igualdades repetir desde el paso % al 8.

2.,. LONGITUD DE PO
F$)80# U. S. B&)#% R"0##!&%. F$)80# B#"). F$)80# L#*)#%7. F$)80# P#90/ . El valor de la longitud de la poza disipadora de energ'a se elige a criterio en base a los resultados, ya que en este caso no se toma ningAn promedio. 34


CONCLUSIONES 1. 2.

0e acuerdo al cálculo realizado se ha determinado incrementar la longitud del ancho de encauzamiento que inicialmente se hab'a considerado O"m, incrementándolo hasta %" m, esto para obtener valores de rcalc y ycalc positivos,

con

valores

menores

a

esta

distancia

obten'amos valores negativos.

3.

0e los valores calculados para la ventana de captación By:D se determino utilizar el valor positivo inferior puesto que con un valor má/imo positivo la altura de la ventana quedaba ubicada por encima de la cresta del barra(e.

4.

-a sección utilizada en el canal se ha determinado por +E2, por lo que la captación del agua ah de llevarse de una manera e)ciente.

5.

&ara el diseño de la poza disipadora se ha considerado el valor obtenido de la ecuación de acGmeter por presentar resultados que bene)cia el aspecto económico.

35

BOCATOMA

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