Resumen de Notas de Clases.

Ing. Teresa Velásquez Bejarano

Docente Principal del DRAT-FIA

Fuente.

“Applied Hydraulics”. P. Novak.

Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26.

“Desing of Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation.

Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.

CURSO

Estructuras Hidráulicas I

(Parte 1)

DISEÑO DE BARRAJES EN RIOS

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hídricos

Caudal de Diseño:

Ventana de

CAPTACION.

Diseño según

DEMANDA de

USUARIOS.

Diseño de Muros

Ventana Periodo 1/50

o 1/100 años.

BARRAJE

Caudal de Diseño:

Avenidas, Período

de Retorno 1: 50 ó

1:100 años

MUROS

PROTECCION

TOMA

Diseño con

Avenidas, Período

de Retorno 1: 50 o

1:100 años

Sumergencia

Transicion

Vertedero de salida de desrripeador Desrripeador

Salida del canal de LIMPIA y e desrripeador

CANAL DE LIMPIA

Fuente. “Applied Hydraulics”. P. Novak. Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26. “Desing of Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation. Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.

DISEÑO DEL VERTEDERO DE DEMASIAS

BARRAJE

Caudal de Diseño:

Avenidas, Período

de Retorno 1: 50 ó

1:100 años

BARRAJES

• DEFINICION

Es una represa construida a través del río con

el objeto de elevar el nivel de agua, su altura

debe ser tal que permita una carga de agua

suficiente en la toma, para el ingreso seguro del

agua considerando las pérdidas de carga que

se producen en los muros, rejillas y compuertas

en la toma.

TIPOS DE BARRAJE 1.- BARRAJE FIJO

• Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa solida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captacion.

• Esta solucion es posible cuando el regimen del rio es uniforme y la capacidad de captacion de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulacion, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa.

TIPOS DE BARRAJE 2.- BARRAJE MOVIL

• En este tipo de barraje se consigue la retencion del caudal y elevacion del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contencion.

• Es conveniente esta solucion cuando el caudal de la captacion es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio . Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas.

• Las compuertas pueden ser RADIALES o DESLIZANTES.

BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS RADIALES

BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS DESLIZANTES

• Tienen una parte de la presa integrada por una estructura solida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje movil). La parte movil tiene en ciertos casos muros guias o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado tambien desempedradores.

TIPOS DE BARRAJE 3.- BARRAJE MIXTO

2.0 TIPO INDIO

PERFIL DEL BARRAJE 1.0 TIPO CREAGER

ELEMENTOS PRINCIPALES DEL BARRAJE

Los elementos son: La presa propiamente dicha, La poza de Disipacion de

Energia o colchon de disipacion, El enrocamiento

PRESA DERIVADORA

POZA DE DISIPACION DE ENERGIA

PROTECCION DE ENROCAMIENTO O MUROS

DE ENCAUZAMIENTO

LONGITUD DE

BARRAJE

Altunin

Cauces estables

Maza-Cruickshank

Cauces Arenosos

Blench

Canales de Riego, en tramos de río con material fino

Petit

Cauce estable

Fs

FbQB

**81.1

S

QaB

5

1

*

QB *45.2

BLENCH

ALTUNIN

PETIT

B= Ancho de Encauzamiento (m)

Q= Caudal Maximo de Diseño (m3/seg)

Fb= Factor de fondo

Fs= Factor de orilla

A =Parámetro que caracteriza al cauce

S= Pendiente del Rio

ALTURA DEL BARRAJE Altura del Barraje , Hb

Mediante la altura del Barraje se logra elevar o mantener el nivel de agua en el rio y derivar el caudal hacia el Bocal de Captacion

Según Mansen y Rosell la altura del Barraje es:

Hb= P + Ps (Altura de Socavacion, Evaluar con la profundidad de la Poza de disipacion)

P = ho ( Alfeizer mayor de 0.60 metros) +

hv ( Altura de la ventana de captación ) +

hf ( pérdidas de carga en la Toma en la entrada, por rejas)

hf

Ps Profundidad de socavacion, Ver Prof Poza de Disipacion

CARGA SOBRE LA CRESTA DEL BARRAJE

Qmax= Cd x L x ( Hd) 1.5

Qmax, Caudal Máximo en m3/seg

Cd, Coeficiente de escurrimiento

Según Novak, Cd=2.4

L, Longitud de Barraje en metros.

Hd, Carga sobre la cresta incl.

Altura de velocidad.

VELOCIDAD DE LLEGADA

p + He = y + Hv

p, Altura del Barraje en metros

He, Carga Total en metros, incl. Alt.vel.

y, Tirante aguas arriba del Barraje en metros

Hv, Energía de Velocidad (v2/ 2g)

Hd = He –Hv Hd,Carga de diseño

excluyendo velocidad de Flujo

hv

ho

He

HV

En la practica no es usual considerar la longitud Total de la Poza la poza de disipacion para controlar el Salto hidraulico. Esta inversion es sumamente cara.

Se puede reforzar la salida aguas debajo de la poza y generar el Salto sumergido.

Calculo del Tirante Y1:

Eo = E1 + hf (perdidas)

Elo + P + Hdo + Hvo = El1 + y1+ Hv1+ hf (perdidas)

Asumir Vo = 0, hf = 0.1 (v cresta)2/2g, y1 > 0.1, Continuidad.

Calculo del Tirante Y2:

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.

LONGITUD Y PROFUNDIDAD DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA

2

11

2 8112

Frd

d

1

1gy

VFr 125 yyLpoza

Para producir salto Hidraulico ahogado y2 < yn aguas debajo de la Poza de disipacion.

No permitir que y2 > yn causa daños a la estructura, para evitar este caso bajar el nivel del piso de la Poza (r).

r = y2 – yn, r profundidad del piso de la Poza.

ALTURA DEL BARRAJE POR PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Ps)

• La profundidad de socavación que producirá la avenida máxima de diseño define la profundidad de cimentación de las estructuras.

• Una de las expresiones propuestas es la de Lischtvav – Lebediev

Ps = ds – yo

Ps= Profundidad de socavación,

ds= Profundidad después de producirse la socavación,

yo= tirante Normal de agua,

B= Ancho efectivo en la sección,

u = Coeficiente por efecto de contracción de los estribos.

Dn= Diámetro medio de las partículas en mm,

ß = Coeficiente que toma en cuenta el período de retorno con que

se presenta el gasto de diseño.

x = Exponente que depende de Dm. en mm.

)1/(1

28.0

3/5

**68.0

*X

Dn

yoads

uByo

Qa

**3/5

Hs Profundidad de socavacion,

Ver Poza de Disipacon

ALTURA DEL BARRAJE PORPROFUNDIDAD DE SOCAVACION

ų

ß

u

Dimensionamiento del barraje Para lograr una buena Estabilidad se sugiere la Metodologia que presenta Gomez Navarro.

1.- Esquematice el barraje y calcule las fuerzas: PESO, HIDROSTATICA, SUBPRESIONES, SUELO

2.- Considerar :

B (Base inicial del Barraje)= Ht / (Ɣc – 1) 1/2

Ht Altura de la carga Total aguas arriba del Barraje (m).

Ɣc Peso Especifico del Concreto

3.-Calcular la ESTABILIDAD del Barraje

FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE Sobre la base de los datos del U.S Bureau of

Reclamation , el U.S. Army Corps of Engineers , ha

desarrollado varias formas stándar de vertederos.

De alli que el perfil que se le da tiene la forma que

seguirá la cara inferior de un filete de agua al verter

sobre un vertedero, a fin de evitar la presencia de

presiones negativas que causen cavitaciones.

Es recomendable utilizar obras robustas ya que las

delgadas pueden ser dañadas facilmente.

El US Bureau recomienda la ecuacion siguiente:

Xn = K (Hd)n-1 Y

Donde :

X,Y : Coordenadas del perfil de la cresta con

el origen en el punto más alto de

la cresta.

Hd : Altura de diseño excluyendo la altura de

velocidad del flujo

aproximante. (mts.)

K,n : Son parámetros dependiendo de la

pendiente de la cara aguas

arriba. Los valores de K y n.

Hd = He –Hv Hd,Carga de diseño

FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE

Pendiente aguas K n

arriba

VERTICAL 2 1.85

3 a 1 1.936 1.836

3 a 2 1.939 1.81

3 a 3 1.873 1.776

Xn = K (Hd)n-1 Y

CURVA DE TRANSICION ENTRE EL VERTEDERO Y LA POZA DISIPADORA

• Con la finalidad de que el cambio de dirección que originan las aguas al pasar el vertedero a la poza de disipación de energía no sea brusco , usaremos como elemento de transición una curva circular.

• Algunos autores recomiendan variar R= 0.5 Hd a 2 Hd.

ß = Arc tang 1/ Z

T = R tang ß / 2

R = 0.5 Hd ó 2 Hd

La minima longitud necesaria para el conjunto BARRAJE – POZA DISIPACION, sera aquella que contrarestre los efectos de la Subpresion y sifonamiento derivados de la infiltracion de las aguas.

El agua que se desplaza bajo el barraje arrastra material fino creando Tubificaciones.

Para este calcular la Longitud de la Poza y sus posibles protecciones proyectadas con dentellon o zanjas de proteccion, Krochin considera la siguiente fórmula:

Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H Donde : Lh: Suma de longitudes horizontales Lv: Suma de longitudes verticales CL: Coeficiente de Lane que depende del material del rio. LC: Distancia de ruptura compensada

H: Diferencia d Carga Hidraulica entre la Cresta del barraje y la terminal de la Poza de disipacion ò diferencia de nivel de aguas arriba y aguas abajo.

LONGITUD DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA

VALORES DE COEFICIENTES DE LANE

• Krochin

Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H

Donde : Lh: Suma de longitudes horizontales Lv: Suma de longitudes verticales CL: Coeficiente de Lane LC: Distancia de ruptura compensada de la sección transversal H: Diferencia de carga hidrostática

Para resistir el efecto de la Subpresion es recomendable que el colchon de la Poza de disipacion tenga un espesor adecuado para soportar al empuje que ocasiona la subpresion.

La formula que permite calcular el espesor mas conveniente del solado es:

W > Sp

W Peso de la estructura (Tn)

Sp Subpresion Parcial (m)

Sr Subpresion Total (m)

Ɣc * A * e = Ɣ * A * Sp

Ɣc Peso Especifico del concreto (Ton/m3)

A Area de la base de la estructura (m2)

e Espesor de la loza

Ɣ Peso Especifico del agua (Ton/m3)

Ɣc * e = (4/3) * Ɣ * Sp

e = (4/3) * (Ɣ/ Ɣc) * Sp

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.

ESPESOR DE LA LOZA DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA

Recomendaciones : El espesor debe de ser corregido por

seguridad debe de ser al menos 0.80 m.

El canal de Limpia es una estructura de derivación que se proyecta al lado del barraje, justamente aguas debajo del Bocal de captación. El canal de Limpia lleva compuertas y se mantiene cerradas en estiaje pasando hacia el Bocal el flujo de agua.

En avenidas estas compuertas pueden estar abiertas o cerradas dependiendo de la operación proyectada a limpiar sedimentos que se depositen en las cercanías .

La velocidad mínima que debe de tener el flujo que pasa a través del canal de limpia es:

Vc= 1.5 * c * d 1/2

Vc = Velocidad para iniciar el arrastre (m/seg)

c = Coeficiente en funcion del tipo de material

d = Diametro del grano mayor

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.

CANAL DE LIMPIA

Tipo de material c

Arena y grava redondeada 3.2

Grava Cuadrada (rectangular) 3.9

Mezcla de arena y grava 3.5 a 4.5

La Pendiente del canal es:

Sc= n2 * g 10/9 / q 2/9

Sc = Pendiente Critica (%)

g = Aceleracion de la gravedad (m/seg2)

n = Coeficiente de Rugosidad de Manning

q = Caudal unitario (m3/seg/m)

Recomendaciones para diseñar el canal de Limpia:

• El caudal a condiderar debe de ser al menos DOS veces el caudal a derivar, maximo el caudal medio del rio.

• Pendiente aproximada para el canal 0.01 a 0.02.

• El ancho de la zona de Limpia al menos Un DECIMO de la Longitud del Barraje. Su aplicación No es rigurosa, depende del diseñador.

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.

CANAL DE LIMPIA

Gracias por su atencion.

Ing Teresa Velasquez Bejarano

tvelasquez@lamolina.edu.pe velasquezbejarano@yahoo.es

Ing. Teresa Velasquez B.

Universidad Nacional

Agraria la Molina.