Diseño Parcial Bocatoma

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA (solo para uso académico) FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA

EJEMPLO ACADEMICO DE DIMENSIONAMIENTO DE UNA PRESA DE DERIVACION De acuerdo con los estudios Hidrologicos, el dise;o Hidraulico respondera a los siguientes parametros: 3

Q := 11.0⋅

m

Caudal a derivacion

s 3

Qmax := 250⋅

m

Qmax := 600⋅

m

Qm := 20.53⋅

m

Qmin := 0.80⋅

m

Qmin := 3.16⋅

m

Caudal maximo Tr=2 anos

s 3

Caudal maximo Tr=50 anos

s 3

Caudal medio

s 3

Caudal minimo

s 3

Caudal minimo en Setiembre

s

De acuerdo con las caracteristicas del rio, recurrimos al cuadro 5-6 del libro Hidraulica de Canales Abiertos donde especifica diversos coeficientes de rugosidad de Manning: (Ref. Ven Te Chow, Pag 108) n min := 0.030

n normal := 0.035

n max := 0.040

La derivacion sera entregada a una cota de 3829 msnm

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Ï. DIMENSIONAMIENTO DE LAS VENTANAS DE CAPTACION Se ha elegido la ecuacion del vertedero para el dimensionamiento de las ventanas 1.5

Q := C⋅ L⋅ H

0.5

C := 1.80⋅

m

Coeficiente de vertedero

s

H := 0.20⋅ m, 0.30⋅ m.. 0.90⋅ m Q H=

1.5

=

C⋅ H

0.2 0.3

68.324 37.191

0.4

24.156

0.5

17.285

0.6

13.149

0.7

10.435

0.8

8.541

0.9

7.157

H

0.9 0.83 0.76 0.69 0.62 0.55 0.48 0.41 0.34 0.27 0.2

0

10

20

30

40

50

60

70

Q C⋅ H

1.5

Para la eleccion de la longitud y altura de ventana se debe tener en cuenta los procesos constructivos a realizarse. Acotamos que la captacion sera realizada en angulo, factor que no esta contemplado en la formula, por lo tanto debemos considerar una distancia mayor para la longitud del vertedero debido a los efectos de esquina. Segun criterios, la velocidad minima de entrada hacia las ventanas no debe ser menor que 1m/2, por tanto, si el caudal necesario es de 11m3/2, el area hidraulica de las ventanas no debera ser menor de 11m2. Se ha realizado la eleccion de: n v := 5

Numero de ventanas

Lv := 5⋅ m

Longitud de cada ventana

Hv := 0.50⋅ m

Ältura de Ventana (Hidraulica)

En la parte superior de las ventanas se dispondra un punte maniobra, y entre ventanas se debera incorporar un pilar, el cual debera tener los filos contorneados para disminuir la perdida de carga. El espesor de estos pilares los definimos en 1.00m como criterio.

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IÏ. DEFINICION DE LA ALTURA DEL BARRAJE El barraje fijo debera tener una altura suficiente para generar la carga hidraulica para la derivacion hacia las ventanas de captacion. Debido a la zona de trabajo (Puno - poca pendiente) es preferible tener un barraje de poca altura que lleva a ventanas anchas que barraje alto con ventanas angostas. Recordamos la formula: Hb := PrimerRebose + Hv + Hseguridad Hb

Altura de Barraje

PrimerRebose := 0.50⋅ m

Hv

Diferencia de niveles entre el fondo de canal y el umbral de las ventanas de captacion. Menor que esta altura podria llevar a la incorporacion de sedimentos en la captacion. Altura de la ventana de captacion (item I)

Hseguridad := 0.20⋅ m

Segun criterio, por oleaje y seguridad

Hb := PrimerRebose + Hv + Hseguridad Hb = 1.2m III. DETERMINACION DEL ANCHO DEL CANAL DE LIMPIA GRUESA (Barraje Movil) Para la operacion de limpia de este canal se debe tener en cuenta la velocidad minima para realizar esta operacion, definida en: m Varrastre := 1.50⋅ s Ël Caudal que se requiere para esta operacion sera el caudal medio, y esta operacion se realiza abriendo las compuertas de limpia. La altura de compuerta en el barraje movil lo consideramos igual a la altura de barraje fijo. Entonces, el area necesaria para la limpia sera: A necesaria :=

Qm

2

A necesaria = 13.687m

Varrastre

La ancho hidraulico en el eje de las compuertas sera: A necesaria Hb − Hseguridad

= 13.687m

Preveemos la operacion de 3 compuertas, por tanto el ancho de cada compuerta sera: A compuerta := 5⋅ m

A total := 3⋅ A compuerta

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Asumimos que el pilar central tendra un ancho de 1m, entonces el ancho del canal de limpia gruesa incluyendo el pilar que divide al barraje fijo y movil sera: epilar := 1⋅ m

A movil := 3⋅ A compuerta + 3⋅ epilar

A movil = 18m

IV. CALCULO DEL BARRAJE MOVIL El ancho en la zona de captacion, segun planos es de : Ltotal := 150⋅ m La longitud del barraje fijo sera: Lf := Ltotal − A movil

Lf = 132m

El vertido por encima del barraje fijo es calculado como un vertedero de cresta ancha, entonces el coeficiente de descarga sera: 0.5

C := 1.80⋅

m

Coeficiente de vertedero

s

El cota de la cresta del barraje fijo es: Cfondo := 3831.52msnm ⋅ Ccresta := Cfondo + Hb Realizamos el grafico de descarga por encima del Barraje Fijo H := 0.00⋅ m, 0.50⋅ m.. 4.00⋅ m 1.5

C⋅ Lf⋅ H H m

= 0 0.5

3.837×10

3

3.8366×10

3

0 84.004

3.8361×10

3

237.6

3.8357×10

3

3.8352×10

3

3 −1

=

m ⋅s

1

436.499

1.5

672.034

2

939.196

2.5

1234.606

3

1555.781

3.5

1900.8

4

H + Ccresta 3.8348×103 3.8343×10

3

3.8338×10

3

3.8334×10

3

3.8329×10

3

3.8325×10

3 3

3

3

3

3

0 200 400 600 8001×101.2×10 1.4×10 1.6×10 1.8×102×10 C⋅ Lf⋅ H

1.5

Para el analisis de avenidas, asumimos que totao el caudal pasa por el barraje fijo, y

3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA (solo para uso académico) FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA C⋅ Lf⋅ H

Para el analisis de avenidas, asumimos que totao el caudal pasa por el barraje fijo, y calculamos el maximo nivel que alcanzaran las agua. Este calculo obedece a: 2 3

Qmax = 600

⎛ Qmax ⎞ ⎟ ⎝ C⋅ Lf ⎠

m

3

h max := ⎜

s

h max = 1.854m

Cmax := Ccresta + h max

Cmax = 3834.574msnm

Una vez que pasa por el barraje fijo, la energia debe ser disipada mediante un colchon disipador, ademas se debe preveer que el tirante a la salida de la disipacion coincida con el tirante nivel normal del rio. El calculo del perfil hidraulico fue realizado mediante el HEC2, obteniendo un nivel de agua para esta avenida de: ⋅ Nagua := 3833.42msnm La cota de salida en este punto es: Csalida := 3830.98msnm ⋅ La cota de fondo del colchon disipador la definimos como: r1 := 1⋅ m

Ccolchon := Cfondo − r1

Calculamos el salto hidraulico que se produce, segun: V( y ) :=

q := Qmax

b := Lf

q b⋅ y

E( Co , y ) := Co +

V( y )

2

2⋅ g

La energia en la cresta del barraje sera: E( Ccresta, h max) = 3833.026msnm esta simplificacion se hace considerando que el barraje en el momento de la avenida esta colmatado de sedimento. El calculo con el barraje limpio de sedimentos seria irreal. El tirante aguas abajo del barraje es:

y 1 := 1⋅ m

⎛

V( h max)

⎝

2⋅ g

y 1 := root ⎜ E( Ccresta, h max) − 0.10⋅

2

⎞

− E( Ccolchon, y 1) , y 1 ⎟

⎠

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA (solo para uso académico) FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA y 1 = 0.652m Calculamos el tirante conjugado: A ( y ) := y ⋅ b

M ( y ) :=

y 2

⋅ A ( y) +

q

2

g⋅ A ( y)

y 2 := 1.1⋅ m

y 2 := root ( M ( y 2) − M ( y 1) , y 2) y 2 = 2.236m

Debemos procurar que el nivel normal sin la bocatoma sea mayor que el nivel de salida del colchon disipador, para esto calculamos la diferencia de estos dos niveles, y reduciendolo variando la cota del colchon disipador. Nivel con Bocatoma

Nivel Normal

y 2 + Ccolchon = 3832.756m

Nagua = 3833.42m

Entonces: Enivel := Nagua − y 2 − Ccolchon Nagua − Ccolchon y2

Enivel = 0.664m

= 1.297

El nivel normal es mayor que el de salida de la disipacion. Entonces se garantiza un salto ahogado.: Para definir la longitud del colchon disipador debemos definir la longitud del salto, para lo cual se tiene varios criterios: (5 o 6) (y2 -y1 )

Schoklitsch:

5⋅ ( y 2 − y 1) = 7.92m Safranez:

6⋅ ( y 2 − y 1) = 9.504m

6 F1y1

F1 := Safranez:

V( y 1)

g⋅ y1

6⋅ F1⋅ y 1 = 10.783m

6 F1y1

F1 :=

V( y 1)

g⋅ y1

6⋅ F1⋅ y 1 = 10.783m

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA (solo para uso académico) FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA US Bureau Reclamation:

4y2 4⋅ y 2 = 8.945m

Graficos:

Poza de disipacion tipo I: para

se tiene

Ls := 14.32⋅ m F1 = 2.755 Ls y2

entonces: Conclusion: Ls := 14.50⋅ m

:= 5.75

5.75⋅ y 2 = 12.859m