CARATULA

CARÁTULA

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA CIVIL

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

TEMA:

DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS PARA LA CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE

LOS CAUDALES REQUERIDO PARA UNA POBLACIÓN

TRABAJO PRÁCTICO DEL EXAMEN COMPLEXIVO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL

TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

AUTOR:

MURILLO CAIMINAGUA JORGE LUIS

MACHALA EL ORO

II

III

DEDICATORIA

A Dios por mostrarme día a día que con humildad, paciencia y sabiduría toda es posible. A mi madre quien con su amor, apoyo y comprensión incondicional estuvo siempre a lo largo de mi vida estudiantil; a ella que siempre tuvo una palabra de aliento en los momentos difíciles y que ha sido incentivo de mi vida. A mi esposa que siempre estuve ahí incondicionalmente a ellos va dedicada mi esfuerzo.

Jorge Luis

IV

AGRADECIMIENTO

En estas pocas líneas extiendo mis más sinceros agradecimientos especialmente a Dios por darme la vida, la sabiduría y la capacidad para poder lograr esta hermosa realidad: A mis padres de todo corazón por ese apoyo incondicional que le dan a mi vida, y por ser el pilar fundamentar en el desarrollo de mi carrera profesional. A las autoridades y docentes de la la Universidad Técnica de Machala, Unidad Académica de Ingeniería Civil por proporcionarme la oportunidad de formarme profesionalmente. De manera especial al asesor, Ing. Francisco Javier Vera Domínguez, quien de manera responsable y profesional me guio en el desarrollo del presente trabajo practico.

A todos ellos mi más eterna gratitud.

V

RESUMEN

DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS PARA LA CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE

LOS CAUDALES REQUERIDOS PARA UNA POBLACIÓN.

Autor: Jorge Luis Murillo Caiminagua

Tutor: Ing. Francisco Javier Vera Domínguez

El presente trabajo está desarrollado en base de bibliografías que permite facilitar el

desarrollo del problema con sus debidas formulas permitiéndonos encontrar el cálculo del

problema mencionado como la obtención de su población futura que nos permite obtener

un dato para el cálculo de su caudal de máxima avenida, obteniendo el caudal se procede

al diseño de la obra de toma que tiene la estructuración del diseño de una captación con un

vertedero de doble cámara y también un desarenador que nos permite obtener su

aprovechamiento de dicha fuente de agua superficial y su conducción por medio de tuberías

a las distribuciones de redes domiciliarias para su consumo de la población requerida.

CAUDAL CAPTACIÓN VERTEDERO DESARENADOR Y TUBERÍA

VI

SUMMARY

DESIGN OF HYDRAULIC WORKS FOR THE COLLECTION AND DRIVING FLOW

REQUIRED FOR POPULATION.

Author: Jorge Luis Murillo Caiminagua

Tutor: Mr. Francisco Javier Domínguez Vera.

This work is developed based bibliographies which allows me to facilitate the development

of problem with their proper formulas allowing us to find the calculation of the problem

mentioned as securing its future population that allows us to obtain data for calculating the

flow rate of maximum flood , you obtain the flow proceeds to the design of the intake that is

structuring the design of a pickup with a dump dual chamber and a sand that allows us to

get your use of this source of surface water and driving through piping distributions networks

for home consumption required population.

WEIR FLOW COLLECTION AND PIPE SAND TRAP

VII

INDICE DE CONTENIDO

CARATULA .....................................................................................................................................................I

CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR....................................................... ¡Error! Marcador no definido.

DEDICATORIA .............................................................................................................................................III

AGRADECIMIENTO................................................................................................................................... IV

INDICE DE CONTENIDO ........................................................................................................................ VII

INTRODUCCION ..........................................................................................................................................1

CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE LA OBRA HIDRAULICA...............................................................3

1.1.OBRA DE TOMA: ..................................................................................................................................3

1.2.OBRA DE TOMA SUPERFICIAL: ......................................................................................................3

1.2.1.CALCULO DE LA POBLACIÓN .....................................................................................................3

a. PARA EL MÉTODO ARITMÉTICO ....................................................................................................3

b. PARA EL MÉTODO GEOMÉTRICO ..................................................................................................3

c. PARA EL MÉTODO LOGARÍTMICO .................................................................................................4

1.3.CALCULAR LOS CAUDALES ...........................................................................................................5

1.4.DISEÑO DE REJILLA ...........................................................................................................................9

1.5.CALCULO DE LA PROTECCION INCLINADA. ..............................................................................9

1.6.CALCULO DEL PESO ESPECÍFICO DEL MATERIAL SUMERGIDO ........................................9

1.7.CALCULO DEL MOMENTO MAXIMO. .......................................................................................... 10

1.8.CALCULO DEL MOMENTO RESISTENTE. ................................................................................. 10

1.9.CALCULO DE LA ALTURA DE LA PLETINA. ............................................................................. 10

1.10.DISEÑO DEL ANCHO DE LA REJILLA ...................................................................................... 11

1.10.1.CALCULO DEL COEFICIENTE DE CONTRACCION DE LA VENA LIQUIDA. ................ 11

1.10.2.CALCULO DEL COEFICIENTE DE REDUCCION DEL AREA EFECTIVA. ...................... 12

1.10.3.ANCHO DE LA REJILLA. ........................................................................................................... 12

1.11.1.DIMENSIONES DE LA REJILLA. .............................................................................................. 13

1.12.CALCULO DE LA COTA DEL MURO DE ALA. ......................................................................... 13

1.12.1.DETERMINACION DEL CALADO CRÍTICO. .......................................................................... 14

1.12.2.ALTURA DEL MURO DE ALA. .................................................................................................. 14

1.12.3.CALCULO DE LA COTA EN EL PUNTO MAS BAJO DE LA REJILLA ........................... 15

1.13.DISEÑO DE LA GALERIA. ............................................................................................................ 15

VIII

1.13.1.DIVISION DEL ANCHO DE LA REJILLA EN (x) PARTES IGUALES ................................ 15

1.13.2.LA VELOCIDAD EN CUALQUIER PUNTO DE LA GALERIA (X) ....................................... 15

1.13.3.CALCULO DEL CAUDAL EN CUALQUIER PUNTO (X) ..................................................... 15

1.13.4.CALCULO DEL GRADIENTE HIDRAULICO ENCUALQUIER PUNTO (X) ....................... 16

1.13.5.CALCULO DE LAS PERDIDAS DE ENERGIA. ...................................................................... 16

1.14.CALCULO DEL ORIFICIO DE PASO (REGULACION) ............................................................ 17

1.14.1.COTA SUPERIOR DE LA PLETINA (Sp) ................................................................................ 17

1.14.2.COTA INFERIOR DE LA PLETINA (Ip) .................................................................................... 17

1.14.3.COTA EN EL FONDO DEL PERFIL MAS BAJO (COTA Z) ................................................. 17

1.14.4.CARGA HIDRAULICA EN EL CENTRO DEL ORIFICIO (hi) ............................................... 17

1.14.5.CALCULO DEL AREA DEL ORIFICIO ..................................................................................... 18

1.15.DISEÑO DEL CAJON DISTRIBUIDOR........................................................................................ 18

1.16.CALCULO DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA DEL CAJON DISTRIBUIDOR .................... 19

1.17.EL DESERENADOR: ...................................................................................................................... 20

1.17.1.DISEÑO DE UN DESARENADOR DE SECCION MIXTA ..................................................... 20

1.17.2.CALCULO DE LA TRANSICION ............................................................................................... 20

1.17.3.CALCULO DE LA CAMARA DE DESARENACION .............................................................. 21

1.17.4.CALCULO DE LA LONGITUD DE DESARENACION ........................................................... 21

1.17.5.CALCULO DEL VERTEDERO DE PASO ................................................................................ 23

1.17.6.COMPUERTA DE EVACUACIÓN ............................................................................................. 24

1.18.CALCULO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN ............................................................................ 25

1.19.CALCULO DE LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA .......................................................................... 28

1. Pérdidas por válvulas de control: ............................................................................................... 28

2. Pérdidas por reducción gradual .................................................................................................. 29

3. Pérdidas por entrada normal al tubo 900mm: ......................................................................... 29

4. Perdidas por salida 800mm: ......................................................................................................... 29

CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 32

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................. 33

INTRODUCCION

Este trabajo tiene como objetivo establecer los criterios para el diseño hidráulico, mecánico y estructural de la infraestructura que se requiere en la primera fase del abastecimiento, es decir en la zona de captación. Se denomina obra de toma al conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin de alcanzar su aprovechamiento que genere gran relevancia a las futuras generaciones.

Por tal razón los sistemas para abastecimiento de agua potable constan de diversos componentes: captación y conducción. Es decir en cada uno se construyen las obras necesarias para que sus objetivos particulares sean alcanzados de forma satisfactoriamente para la población. La captación se refiere a la explotación del agua en las posibles fuentes de conducción al transporte del recurso hasta el punto de entrega. En el abastecimiento de agua potable, la sub evaluación en la capacidad de la toma genera un servicio de agua deficiente al usuario, ya que durante las horas del día en las cuales se tiene la máxima demanda, la imposibilidad de la toma de entregar el caudal requerido puede generar zonas sin suministro en la red de distribución. Es decir el agua obtenida resulta de inmejorables condiciones a causa del filtrado a que se

encuentra sometida, tanto por los acarreos del río como por los drenes de captación.(1)

El agua es uno de los elementos más esencial y fundamental para la vida humana. En este mismo caso, la sobrevaluación, impone mayores erogaciones para la inversión deseada, afectando el sistema financiero de las empresas prestadoras del servicio de agua potable, además la operación hidráulica es deficiente, pudiendo afectar la calidad del servicio (bajas presiones) generando también molestias al usuario. Para el caso del aprovechamiento de fuentes superficiales, el abastecimiento de agua suele requerir de la fase adicional de tratamiento, que consiste en detectar mediante análisis físico-químico de una muestra del agua de la corriente, la necesidad de mejorar su calidad para consumo humano. Por ello es importante tomar en consideración un proyecto fundamentado en la conciencia ética y profesional ajustado al conocimiento académico y competente del profesional en el campo laboral para el efecto. En nuestra actualidad el cuidado del medio ambiente se torna un punto muy importante, ya que al plantear una toma de agua, cualquiera que sea la fuente, es necesario considerar el impacto que dicha explotación traería al entorno natural. La alternativa proactiva consiste en dotar de agua potable a una ciudad con 220000

habitantes, cuya planta de tratamiento se ubicará en la cota 1800msnm en donde su

construcción se realiza previa al estudio topográfico del terreno. Analizando los diversos

espacios urbanos del agua: sistemas de captación, almacenamiento, transporte y

distribución.(2)

2

Para el desarrollo de la construcción de la obra de toma se plantearon objetivos consecutivos que permitieron dar seguimiento al proceso y buscar soluciones a las limitantes encontradas para dar una propuesta fiable ajustada al presupuesto y al cuidado del medio ambiente. A continuación planteamos el objetivo general: Diseñar una obra hidráulica que consiste en la captación y conducción de caudales para abastecer de agua potable a una ciudad de 220000 habitantes.

3

CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE LA OBRA HIDRAULICA

1.1. OBRA DE TOMA:

Es la estructura hidráulica de mayor importancia de un sistema de aducción, que alimentará

un sistema de generación de energía hidroeléctrica, riego, agua potable, etc.

Esto alterará el comportamiento de los caudales de los ríos. Al cambiar el régimen de

caudales se produce no sólo un cambio en los valores medios sino también en los valores

extremos(3).

1.2. OBRA DE TOMA SUPERFICIAL:

Por lo tanto, es necesario tener conocimiento previo de las características y condiciones que ofrece el río o quebrada que se piensa aprovechar. Se analizó el comportamiento probabilístico de la precipitación y el caudal, así como la influencia del fenómeno del Niño en la cuenca hidrográfica del río Cali (123 Km2), localizada en la vertiente Oriental de la cordillera Occidental en el Municipio de Santiago de Cali(4).

1.2.1. CALCULO DE LA POBLACIÓN

AÑO Población

2001 153256

2010 220000

a PARA EL MÉTODO ARITMÉTICO

𝑘= (𝑃2−𝑃1) / (𝑇2−𝑇1)

𝑃𝑓= 𝑃2+𝑘 ∗ (𝑇𝑓−𝑇2) k= 7416

b PARA EL MÉTODO GEOMÉTRICO

𝑘= (𝑙𝑛𝑃2 − 𝑙𝑛𝑃1) / (𝑇2−𝑇1)

𝑃𝑓=𝑃2 ∗ (1+𝑖) ^𝑡

k= i 0,04017

4

c PARA EL MÉTODO LOGARÍTMICO

𝑘= (𝑙𝑛𝑃2−𝑙𝑛𝑃1) / (𝑇2−𝑇1)

𝑃𝑓=〖(𝑃2/𝑃1)〗^ ((𝑡−𝑡2)/(𝑡2−𝑡1))

P2 = Población en el censo 2

P1 = Población en el censo 1

Pf = Población Final

i = Tasa de Crecimiento

k = Tasa de Crecimiento

t = Años de Diseño

Tabla 1año de población

Aritmético Logarítmico Geométrico

Año Población Año Población Año Población

1 2011 227416 2011 228837 2011 229017

2 2012 234832 2012 238029 2012 238404

3 2013 242248 2013 247590 2013 248175

4 2014 249664 2014 257536 2014 258347

5 2015 257080 2015 267881 2015 268935

6 2016 264496 2016 278641 2016 279958

7 2017 271912 2017 289834 2017 291432

8 2018 279328 2018 301476 2018 303377

9 2019 286744 2019 313586 2019 315811

10 2020 294160 2020 326182 2020 328755

11 2021 301576 2021 339285 2021 342230

12 2022 308992 2022 352913 2022 356257

13 2023 316408 2023 367089 2023 370858

14 2024 323824 2024 381835 2024 386058

15 2025 331240 2025 397172 2025 401881

16 2026 338656 2026 413126 2026 418353

17 2027 346072 2027 429721 2027 435500

18 2028 353488 2028 446982 2028 453349

19 2029 360904 2029 464937 2029 471931

20 2030 368320 2030 483613 2030 491273

21 2031 375736 2031 503039 2031 511409

22 2032 383152 2032 523245 2032 532369

23 2033 390568 2033 544263 2033 554189

24 2034 397984 2034 566126 2034 576904

25 2035 405400 2035 588866 2035 600549

5

Tabla 2. Vida útil sugerida para los elementos de un sistema de agua potable

1.3. CALCULAR LOS CAUDALES

La población de diseño fue elegida de un promedio de los métodos de proyecciones futuras

entre el método Geométrico y el Método Aritmético.

La humanidad ha usado los recursos hídricos de diferentes formas, convirtiéndolo en un

motor de desarrollo económico de las naciones(5)

La dotación se basa en el clima donde se proveerá el servicio de agua, de acuerdo a la

norma los valores son entre 180-250 para climas calurosos adoptamos un valor de 200l/hab

/día.

6

Qm = Caudal medio 𝑄𝑚=𝑓∗ (𝑃∗𝐷)/86400

f = factor de fuga para poblaciones rurales de 1,2

D = Dotación en L/hab/día

QMD = Caudal Máximo Diario 𝑄𝑀𝐷 = 𝑄𝑚 ∗ K Max dia

K = Constante de Mayoración

El caudal de diseño, se considera con un Porcentaje mayorizado del 20% para las

captaciones (Norma)

𝑄𝐷 = 1,2 ∗ QMD

P.diseño = 531605 hab

Dotación = 200 l/hab/día

F = 1, 2

Qm = 1230, 57l/s

k Max Dia = 1,25

QMD = 1538, 21l/s

QD = 1845,85 l/s

Tabla 3. Caudales de diseño para los elementos de un sistema de agua potable

7

Tabla 4. La hidroenergia

El caudal de crecida por falta de datos no puede ser calculo por los métodos tradicionales

recurrimos a la estadística y uno de los métodos que se puede hacer uso para pocos datos

es el Método de Gumbell, que permite encontrar el Q diseño para una ocurrencia del periodo

de retorno deseado, de acuerdo con la importancia de la obra, los datos que disponemos a

continuación

La categoría de La Obra se Encuentra dentro de la Categoría 1 Por tener un caudal mayor

a 1000 l/s

AÑO 1 AÑO 2

Q 6 10

Qc= 24,17 m3

8

Caudal Año1 Año2

Qmax 6 10

Qme 4 5

Qmini 1 0.7

Para el cálculo de un caudal promedio que tendremos en el río, se considera un promedio

entre el Qme y el Qmini

Año1 Año2

Qprom 1.5 2.15

Observamos q el caudal va a variar para el año 1 donde no lograra abastece el caudal que

se requiere, debido a esto, existe la posibilidad de racionar el líquido vital cuando ocurran

los bajos estiajes, o a su vez desarrollar un embalse.

Datos:

Se calculó el caudal de diseño para una determinada población

Qd = 1,85 m³ /s Caudal requerido o de diseño

Qc = 24,17 m³ /s Caudal de crecida

f = 0,50 m Diámetro del material

i = 25% Pendiente de la rejilla

g = 2,50 T/m³ Peso específico del material

d = 1400 kg/cm² Esfuerzo de fluencia de la pletina

Ci = 1920,00

Ci = 1800,00

L 1 = 100,00 Longitud de toma de fondo al desarenador

L 2 = 8000,00 Longitud de captación a Planta

9

1.4. DISEÑO DE REJILLA

b = 5,00 cm

s = 1,00 cm

La longitud de la pletina valores de:

L = 0,50 m

L = 1,00 m

L = 1,50 m

L = 2,00 m

1.5. CALCULO DE LA PROTECCION INCLINADA.

L´ = (L2 x (i2 + 1)) ½

L´= (0, 50 ² x (0,25² +1)) ½ = 0, 52

L´= (1, 00 ² x (0,25² +1)) ½= 1, 03

L´= (1, 50² x (0,25² +1)) ½= 1, 55

L´= (2, 00² x (0,25² +1)) ½= 2, 06

1.6. CALCULO DEL PESO ESPECÍFICO DEL MATERIAL SUMERGIDO

G = Vol.* γs

Vol. = (1/6)* (π) * (f) 3

Vol. = (1/6)*(π) * (0, 5)³ =0,065m³

γs = γ – γ(H2-O)

γs = 2,5 - 1 = 1,5 T / m³

G = 0,065 x 1,5 = 0,0982 T

10

1.7. CALCULO DEL MOMENTO MAXIMO.

El cual debe ser absorbido por el momento resistente (W)

M = (G/8)*(L´+ 0.05).

M = (0, 09817 / 8) * (0, 52 + 0, 05) = 0,0069t -m

M = (0, 09817 / 8) * (1, 03 + 0, 05) = 0,0133t -m

M = (0, 09817 / 8) * (1, 55 + 0, 05) = 0,0196t -m

M = (0, 09817 / 8) * (2, 06 + 0, 05) = 0,0259t -m

1.8. CALCULO DEL MOMENTO RESISTENTE.

W = (M/δ)*105

W = (0,007 /1400) * 105 = 0,4956cm

W = (0,013 /1400) * 105 = 0,9474cm

W = (0,020 /1400) * 105 = 1,3991cm

W = (0,026 / 1400) * 105 = 1,8509cm

1.9. CALCULO DE LA ALTURA DE LA PLETINA.

W = (MMax / δ ) x 105

a = (6W/s) ½

a = (6 x 0,496 / 1,0)½ = 1,72cm

a = (6 x 0,947 / 1,0)½ = 2,38 cm

a = (6 x 1,399 / 1,0)½ = 2,90cm

a = (6 x 1,851 / 1,0)½ = 3,33cm

Todos estos cálculos se los realiza en el orden indicado en la Tabla 1.para encontrar una

sección de las pletinas.

11

TABLA # 5

1.10. DISEÑO DEL ANCHO DE LA REJILLA

1.10.1. CALCULO DEL COEFICIENTE DE CONTRACCION DE LA VENA LIQUIDA.

Q = C * K * B * L * (2 *√ g * hm)

Q = Caudal captado.

C = coeficiente de tracción de la vena liquida

C = Co – 0,325

Co = Coeficiente de forma de los barrotes cuyos valores son:

Co = 0,60 para a/b > 4

Co = 0,50 para a/b < 4

Co = 1, 72 / 5, 0 = 0, 34< 4 = 0, 5

Co = 2, 38 / 5, 0 = 0, 48< 4 = 0, 5 Co =0, 50

Co = 2, 90 / 5, 0 = 0, 58< 4 = 0, 5

Co = 3, 33 / 5, 0 = 0, 67< 4 = 0, 5

C = 0,50 - (0,325 x 0,25)

C =0,419

Tabla # 1

% L (m.) L´

(m)

M

(t-m)

W

(cm.)

a

(cm.)

a

comerci

al

25% 0,50 0,52 0,007 0,496 1,72 1,92

25% 1,00 1,03 0,013 0,947 2,38 2,54

25% 1,50 1,55 0,020 1,399 2,90 3,18

25% 2,00 2,06 0,026 1,851 3,33 3,81

1/2 x 3 / 4

1/2 x 1

1/2 x 1 1/4

1/2 x 1 1/2

seccion s*a

12

1.10.2. CALCULO DEL COEFICIENTE DE REDUCCION DEL AREA EFECTIVA.

K = (1 – f)*(b/ (b + s))

f = Porcentaje de obstrucción = 0,30

K = (1- 0,30) x (5,0(5,0 +1,0))

K = 0,583

1.10.3. ANCHO DE LA REJILLA.

B = Q / (3, 20 * (C*K*L) 1.5

B = 1, 85 / (3, 20 x (0,419 * 0, 58 * 0, 50))15 = 13,51m

B = 1, 85/ (3, 20 x (0,419 * 0, 58 * 1, 00))15 = 4,78m

B = 1, 85/ (3, 20 x (0,419 * 0, 58 * 1, 50))15 = 2,60m

B = 1, 85/ (3, 20 x (0,419 * 0, 58 * 2, 00)) 15 = 1, 69 m

1.11. CALCULO DE LA CARGA DE AGUA NECESARIA PARA CAPTAR EL CAUDAL

REQUERIDO (Q).

Ho = (Q/2.55*C*K*B*L) 2

Ho = (1,85 / 2,55 * 0,419 * 0,583 * 13,51 * 0,50)² = 0,19m

Ho = (1,85 / 2,55 * 0,419 * 0,583 * 4,78 * 1,00)² = 0,38m

Ho = (1,85 / 2,55 * 0,419 * 0,583 * 2,60 * 1,50)² = 0,58m

Ho = (1,85 / 2,55 * 0,419 * 0,583 * 1,69 * 2,00)² = 0,77m

Los cálculos se los puede realizar en la Tabla 1.1 para determinar una sección de reja que

sea satisfactoria para el diseño.

Tabla 1.1. Diseño de la Reja en Función de la Obstrucción.

L B Ho

M M M

0.50 13.51 0.19

1.00 4.78 0.38

1.50 2.60 0.58

2.00 1.69 0.77

13

La Tabla 1 y la Tabla 1.1. Nos permiten determinar las dimensiones de las pletinas en

función de la dimensión de la reja.

B = es la longitud de la rejilla

Ho = es la carga hidráulica.

L = es el ancho de la reja

1.11.1. DIMENSIONES DE LA REJILLA.

L = 1,00 m

B = 4,78 m

Ho = 0,38 m

Sección de la pletina

a = 2,54 cm = 1"

s = 1,00 cm = ½"

Separación de pletinas.

b = 5,00 cm

Una vez obtenidas las dimensiones reales para nuestro proyecto procedemos a comprobar

si satisfacen nuestras necesidades de captación.

Q = 2,55*C*K*B*L*(Ho) ½

Q = 2, 55 *0,419*0,583 * 4, 78 * 1, 00 * (0, 38)½ = 1,85m³/s

Q = 1,85m³/s

Semejante al Qd = 1,85 m3/s

Con esto garantizamos que con los valores escogidos ingresa el caudal de diseño, inclusive

si la rejilla trabaja con el 30 % de obstrucción.

1.12. CALCULO DE LA COTA DEL MURO DE ALA.

Criterios de Diseño.

Utilizando la carta topográfica hemos ubicado nuestra obra de toma en la cota de 550 msnm,

por lo tanto la rejilla tiene dicha cota.

14

Por lo general el bordo libre (bd) se lo asume dentro de un rango de 20 a 50 cm, en este

1.12.1. DETERMINACION DEL CALADO CRÍTICO.

Yc = ((Qc/sep.mur.) 2/g) 1/3

G = 9,80m/s²

Yc = ((24,2 / 4,78)2 / 9,80))1/3

Yc = 1,38m

1.12.2. ALTURA DEL MURO DE ALA.

Hm = (3/2)*Yc

Hm = (3/2) * 1,38

Hm = 2,07 m

Con una altura de seguridad o bordo libre de 0.20 a 0.50m.

BL = 0,33 m

Hm = (2,07 + 0,33) m

Hm = 2,40 m

Cota del terreno = 1920

cota del muro Δ = cota de rejilla + Hm

cota del muro = 1920+2,40

cota del muro = 1922,40Δ

Cota de la superficie de agua en la toma.

cota sup Δ = cota de la rejilla + Ho Δ

cota sup = 1920+ 0,38

cota sup = 1920,38

15

1.12.3. CALCULO DE LA COTA EN EL PUNTO MAS BAJO DE LA REJILLA

cota Pb Δ = cota de rejilla - i x L

cota Pb = 1920 - (0,25 * 1,00)

cota Pb = 1919,75

1.13. DISEÑO DE LA GALERIA.

Vf> 3 √g b

V > Vo

Vo = 1 m/s

Vf = Entre 2 a 3 m/s por lo tanto vf = 2,5

1.13.1. DIVISION DEL ANCHO DE LA REJILLA EN (x) PARTES IGUALES

n = 4

x = B/n

x = 4,78 / 4

x = 1,19m

1.13.2. LA VELOCIDAD EN CUALQUIER PUNTO DE LA GALERIA (X)

Vx = ((Vf- Vo)/B) *X + 1

Vx = ((2, 5 - 1) /4, 78)) *X + 1

Vx = 0,31394394X + 1

1.13.3. CALCULO DEL CAUDAL EN CUALQUIER PUNTO (X)

Qx = (Q/B)*X

Qx = 1,85 / 4,78 * X

Qx = 0,38632908X

16

1.13.4. CALCULO DEL GRADIENTE HIDRAULICO ENCUALQUIER PUNTO (X)

J = (Vx2 *n2) /(R4/3)

n = Coeficiente de la rugosidad de Mannyng entre (0.025 a 0.03) 0,030

R = Radio hidráulico

1.13.5. CALCULO DE LAS PERDIDAS DE ENERGIA.

Así la pérdida de carga para cada punto dentro de la galería viene dada por la fórmula:

hf = J * X

A = Qx d = A P = 2d + L R = A

Vx L P

Cálculo del Perfil de Fondo

Perfil = d + Suma (hf) + Vx2 / 2g

Para el diseño de la galería tenemos la Tabla 6., en donde se muestra el orden para poder

determinar el perfil que debe tener la galería para transportar el agua que entra por la reja

a el cajón de distribución.

Tabla # 6.

X Qx Vx A d P R R4/3 J hf Σhf Vx2/2g Perfil

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,05 0,05

1,19 0,46 1,38 0,34 0,34 1,67 0,20 0,12 0,014 0,017 0,017 0,10 0,45

2,39 0,92 1,75 0,53 0,53 2,05 0,26 0,16 0,017 0,040 0,058 0,16 0,74

3,58 1,38 2,13 0,65 0,65 2,30 0,28 0,19 0,022 0,078 0,136 0,23 1,02

4,78 1,85 2,50 0,74 0,74 2,48 0,30 0,20 0,028 0,135 0,271 0,32 1,33

17

1.14. CALCULO DEL ORIFICIO DE PASO (REGULACION)

1.14.1. COTA SUPERIOR DE LA PLETINA (Sp)

Cota sp Δ = cota rejilla - i*L Δ

Cota sp = 1920 - (0,25 * 1,00)

Cota sp = 1919,75 m Δ

1.14.2. COTA INFERIOR DE LA PLETINA (Ip)

Cota If Δ = cota superior de la pletina - a Δ

a = 2, 54 cm =0,0254m

cota If = 1919,75 - 0,025

cota If = 1919,72

1.14.3. COTA EN EL FONDO DEL PERFIL MAS BAJO (COTA Z)

Debemos tener presente la cota media de la superficie del río, la cota del ultimo perfil de la

galería que la llamaremos Cota Z, y a la cota del alto del orificio Cota M, teniendo en cuenta

la Cota Superficial que se produzca que no pase del nivel de la cota media del calado

Cota M Δ = cota de la rejilla - Perfil más bajo Δ

Cota M = 1920,00 - 1,33

Cota M = 1918,67m Δ

1.14.4. CARGA HIDRAULICA EN EL CENTRO DEL ORIFICIO (hi)

Para el cálculo de esta nos basamos de fórmula para orificios sumergidos.

Q = Cd*A*(2ghi)1/2

Cd = Coeficiente de descarga = 0,60

Hi = Q2/(Cd2*A2*2g)

18

1.14.5. CALCULO DEL AREA DEL ORIFICIO

A = L*ao

La Tabla 7., nos permite seleccionar la sección del orificio rectangular que mejor se

acomode a las circunstancias que se presente para el diseño.

Tabla # 7

De los cálculos propuestos utilizando un criterio lógico tomamos las dimensiones

adecuadas.

ao = 0,80

cota M = 1918,67 m

hi = 0,75 m

1.15. DISEÑO DEL CAJON DISTRIBUIDOR.

No existe una norma definitiva para el diseño de un cajón distribuidor, sus dimensiones más

bien se aconsejan las necesarias para que una persona pueda entrar en el para darle

limpieza, manteniéndolo libre de sedimento para que el agua pase en las circunstancias

requeridas.

Como en el cajón no se produce retención, el agua captada solo pasa por este a la tubería

de conducción que lo puede conectar a un sistema de limpieza de aguas como un

desrripiador; pero si podemos determinar el tiempo que tarda el caudal captado en pasar

por el cajón.

Ancho = 1,50m

Largo = 1,50m

Yi = ד cota sup. Flujo de agua - ד cota Z

A Q Cota M hi Cota Z

1,00 0,20 0,2 1,85 1918,67 12,06 1918,87

1,00 0,40 0,4 1,85 1918,67 3,01 1919,07

1,00 0,60 0,6 1,85 1918,67 1,34 1919,27

1,00 0,80 0,8 1,85 1918,67 0,75 1919,47

L x oa

19

Yi = 1920,38 - 1918,67

Yi = 1,71m

Cuyo volumen es:

Vol. = 1,50P *1,50 * 1,71

Vol. = 3,85 m³

Sabiendo que:

Q = Vol. /t

t = Vol. /Q

t = 3, 85 /1, 85

t = 2,09 s

1.16. CALCULO DEL DIAMETRO DE LA TUBERIA DEL CAJON DISTRIBUIDOR

Q = Cd*A*(2gHi)1/2

Cd = 0,50 para una longitud de 100 m.

A = π*D2/4

Tenemos:

Ø= (4Q/( π*Cd*(2gHi) ½) )1/2

Ø= (4 * 1,85 / (π * 0,50 (2 * 9,80 * 0,75)½)) ½

Ø = 1,11m

Tomamos el valor de diámetro de:

Ø= 1,10m

hi= 0,77

Comprobación del caudal de diseño

Q = Cd*A*(2gHi)1/2

Q = 1,85

Cota a la Entrada de la Desarenador

20

Ce = Cota M -S*L

Ce = 1918, 67 - 1, 5

Ce = 1917,17

1.17. EL DESERENADOR:

Es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen, al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas.

1.17.1. DISEÑO DE UN DESARENADOR DE SECCION MIXTA

DATOS:

Qd = 0,92m³ /s Caudal requerido o de diseño

Qc = 24,2m³ /s Caudal de crecida

Ø = 0,50 m Diámetro de la partícula a retener

γ = 2,20 T/m³ Peso específico del material

V = 0,20 m/s Velocidad de avance 0.1 a 0.4 m/s

1.17.2. CALCULO DE LA TRANSICIÓN

B2 = 6,00m

B1 = 1,00m

α = 12,5 O

Lt = (B2-B1)/2tg α

Lt = (6,00 - 1,00) / 2 tan 12,5 O

Lt = 11.28 m

21

1.17.3. CALCULO DE LA CAMARA DE DESARENACION

Q = At*V

A = Q/V

A = 0, 92 /0, 2

A = 4, 61 m²

A1 = ((B2 + Ø) / 2)*1, 0

A1 = ((3, 00 +1, 10) / 2)* 1, 0

A1 = 2,05m³

A2 = At – A1

A2 = 4,61 - 2,05

A2 = 2,56m³

Y1 = A2/B2

Y1 = 2,56 / 3,00

Y1 = 0,85m

Hi= 1,85

1.17.4. CALCULO DE LA LONGITUD DE DESARENACION

Ld = k*hm*(Vo/Vs)

K = 1,30 Coeficiente de mayo ración entre 1.20 – 1.50

Asumimos hm.

hm = 1,85m

Va = 0,20m/s

Para calcular el valor de Vs nos basamos de la tabla CF4 que está en función del diámetro

de las partículas y el peso específico.

22

S = γs/ (γH-2O)

S = 2, 20 / 1, 0

S = 2, 20

Vs = 4,0m/s = 0, 04 cm/s

Remplazamos los datos en las formulas anteriores, tenemos:

Ld = k*hm*(Vo/Vs)

Ld = 1, 30 * 1, 85 * (0, 20 / 0, 04)

Ld = 12,06 m

Sabiendo que:

hf = ho + (Ld * 0,05)

Asumimos el valor de

hm = ho = 1,85 m

hf = 1,85 ( 12,06 * 0,05 )

hf = 2,46 m

Este valor lo remplazamos la siguiente formula:

hm. = (hf + ho)/2

hm. = (2, 46 + 1, 85)/ 2

hm. = 2, 16 m

Aproximamos el valor de:

Ld = 1,30 * 2,16 (0,20 / 0,04)

Ld = 14,02m

hf = 1,85( 14,02 * 0,05 )

hf = 2,56m

hm. = (2, 56 +1, 85) /2

hm. = 2,21 m

23

Segunda aproximación:

Ld = 1,30 * 2,21 (0,20 / 0,04)

Ld = 14, 33 m

hf = 1,85 ( 14,33 * 0,05 )

hf = 2,57 m

hm = ( 2,57 + 1,85 ) / 2

hm = 2,21 m

Tercera aproximación:

Ld = 1,30 * 2,21 (0,20 / 0,04)

Ld = 14,39m

hf = 1,85 ( 14,39 * 0,05 )

hf = 2,57m

hm. = (2, 57 + 1, 85)/ 2

hm. = 2,21 m

Los valores para el diseño son los siguientes:

Ld = 14,39 m

ho = 1,85m

hm = 2,21m

hf = 2,57m

1.17.5. CALCULO DEL VERTEDERO DE PASO

Q = K*b*H3/2

Cd = 0, 62

K = (2/3) Cd *(2g) 1/2

K = (2/3 ) * 0,62 ( 2* 9,80 ) ½

K = 1,8299

b = Q/ (1,83*H3/2)

24

Mediante tanteo H resolvemos esta ecuación hasta que nos dé un valor lógico de b y por

supuesto de H.

Tabla de tanteo de H

B H

4,03 0,25

5,64 0,20

1.17.6. COMPUERTA DE EVACUACIÓN

QL = Cd*A*(2gh)1/2

QL = Caudal de lavado o limpieza = 2Qd

Cd = 0,67

Sabiendo que el área es:

A = Y1*0,80

A = QL/Cd*(2gh) 1/2

Relacionamos estas dos ecuaciones y dejamos una en función de H y Y1

Y1 = (2 x 0,92) / (0,8 x 0,67 x (2 x 9,80 x h) ½)

Tanteamos valores de h.

h = hf = 2,57 cm

Y1 = (2 x 0,92) / (0,8 x 0,67 x (2 x 9,80 x 2,57) ½)

Y1 = 0,48 m

Recalculamos h:

h = hf – Y1 /2

25

h = 2,57 – (0,48 / 2)

h = 2,33 m

Luego

Y1 = (2 x 0,92) / (0,8 x 0,67 x (2 x 9,80 x 2,33) ½)

Y1 = 0,51 m

h = hf – Y1 /2

h = 2,57 – (0,51 / 2)

h = 2,32 m

Y1 = (2 x 0,92) / (0,8 x 0,67 x (2 x 9,80 x 2,32) ½)

Y1 = 0,51 m

h = hf – Y1 /2

h = 2,57 – (0,51 / 2)

h = 2,32 m

2

Para nuestro diseño los valores serán:

Ancho de la compuerta = 0,80 m.

Y1 = 0,51 m

h = 2,32 m

hi = 1,26 m

Cota = 1,51

1.18. CALCULO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN

Elementos de diseño de acueductos y alcantarillados -- López Cualla

26

Datos:

Periodo de diseño: 25 años

Caudal de diseño: 1,70m3/seg.

Cota de salida al desarenador: 1918,02 m

Cota de salida a la Planta: 1800 m

Presión de Diseño:

MATERIAL PVC

Presión estática máxima (en abscisa 1600)= 1698,89 – 1615 = 85 m

Presión de diseño = 1,3 * 85 = 110,5 m = 1,08 Mpa 1MPA= 101,97 MCA

Presión de trabajo=1,25 Mpa

(No se elegirá material pvc ya que la presión de diseño debe tener un buen porcentaje de

inferioridad que la presión de trabajo)

Clase de tubería: PVC

Coeficiente de rugosidad Hazen - Williams, C=150

MATERIAL HIERRO DUCTIL

Presión estática máxima (en abscisa 1600) = 1918 – 1800 = 118m

Presión de diseño=1,3*118,02 = 153,426m = 1,50 Mpa = 15,05 bar

Presión de trabajo=900mm=48 bar800mm = 48bar (manual de tubería Internacional

ACIPCO)

Clase de tubería: hierro dúctil k9

Coeficiente de rugosidad Hazen - Williams, C=130

Calculo de Diámetro Hazen - Williams

Carga Hidráulica Disponible

H=1918,02-1830=88,02

27

}{

Se requiere dejar 10 mca para llegar con presión a la Planta de tratamiento

Longitud real de tubería = 8000 m

Pérdida de Carga Unitaria J = H/L = 88,02 / 8000

J = 0,011

Despejando el diámetro con la ecuación de Hazen - Williams

= 0,788974101 m = 789,0 mm

Se diseñará para una combinación de diámetros de 900mm y 800mm, con lo cual se hace

un uso óptimo de la carga hidráulica disponible.

Perdida de carga Total

H=H1+H2

H1= Corresponde al diámetro de 500mm

H2= Corresponde al diámetro de 600mm

PARA DIAMETRO 800MM:

Diámetro externo = 800

Espesor de la pared del tubo = 9,9

Diámetro interno real = 780,2

= 1,70 = 0,01162 m J1

0,2785 * 130 * 0,7802 ^ 2,63 m

v1= Q = 1,70 =3,56m/seg: V1^2 = 0,6445m v1

A (3,1416 * 0,7802 ^ 2) / 4 2*g

1/0,54

28

}{

PARA DIAMETRO 900MM:

Diámetro externo = 900

Espesor de la pared del tubo = 10,8

Diámetro interno real = 878,4

= 1,70 = 0.00652 m J2

0.2785 * 130 * 0,8784^2.63 m

v2= Q = 1,70 = 2.81 m/seg : V1^2 = 0.04011m v1

A (3.1416 * 0.8784 ^ 2) / 4 2*g

La carga hidráulica total disponible es:

H =𝐻1+𝐻2=𝐽1.𝐿1+𝐽2.𝐿2=𝐽1.𝐿1+𝐽2.(𝐿−𝐿1)

88,02 -0,007 (8000) = 7033m D1= 800mm

0,012 - 0,007

8000 - 7033,20 = 967m D2=900mm

1.19. CALCULO DE LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA

1. Pérdidas por válvulas de control:

Se han instalado válvulas a la salida del desarenador (900mm), a la entrada de la planta

(800mm).

Válvula de compuerta abierta:

K = 0,2

1 válvula en 900mm

1 válvula en 600mm

29

Hm = 0.2 * (0.6445 + 0.4011)

hm = 0.209111265m

2. Pérdidas por reducción gradual

D2 = 878, 4 = 1, 13 k=0, 25

D1 780, 2

hm= 0,25*V12 = 0,25 * 0,6445 = 0,161

2g

hm= 0,161 m

3. Pérdidas por entrada normal al tubo 900mm:

hm = 0.5*V12 = 0.5 * 0.4011

2g

hm = 0.2005486m

4. Perdidas por salida 800mm:

hm = 1*V12 = 1*0,6445

2g

hm = 0,644 m

Pérdidas totales= Sumatoria hm=1,215 m

Con el valor de las pérdidas totales se deben verificar el diámetro teórico y la redistribución

de longitudes:

Carga Hidráulica disponible=H= 1918,02 -1830 - 1,215 = 86,805

Se requiere dejar 15 mca para llegar a la Planta de tratamiento

Longitud Real de tubería = 8000

30

Pérdida de carga Unitaria = J= H = 86,805 = 0,011

L 8000

Despejando el diámetro de la Ecuación de Hazen y Williams:

= 0,791

Por tanto, se sigue trabajando con D1= 600mm y D2=700mm, las mismas perdidas de

carga.

Las nuevas longitudes de las tuberías serán:

H=𝐻1+𝐻2=𝐽1.𝐿1+𝐽2.𝐿2=𝐽1.𝐿1+𝐽2.(𝐿−𝐿1)

86,805 - 0,007 (8000) = 6795 m D1= 900mm

0,012 - 0,007

8000 - 6794,743 = 1205m D2=800mm

Con esta nueva distribución de longitudes, se verifica que no exista cambio de diámetro en

los accesorios.

Las cotas de la línea piezométrica se calculan para cada tramo:

Tramo en 900mm:

J2 = 0,00652 m/m

Perdidas = 8,19

Lx = 1205,229

L2 = 1205m

Cota piezométrica al inicio: 1918,02

31

Cota piezométrica al final = (1918,02 -J2*L2 - SUMATORIA DE Hm)

= (1918,02 - 0.0065 * 1205)

=1909,83

Tramo en 800mm:

J1 = 0,01162m/m

Perdidas = 79,80

Lx = 6794,274

L1 = 6795m

Cota piezométrica al inicio: 1909,83

Cota piezométrica al final = (1909,83 - J1*L1 - SUMATORIA DE Hm)

= (1909,83 – 0.01162 * 6795)

=1830

32

CONCLUSIONES

1.- las obras de toma nos permite resolución del problema planteado necesitamos saber

las fórmulas para poder resolverlo y así dar una solución a una ciudad de 220000

habitantes que desean abastecerse lo suficientemente de agua potable.

2.- Al realizarse el problema propuesto, se alcanzará un gran beneficio para la

ciudadanía y un aporte valioso para el desarrollo de la población por la importancia que

tiene la depuración de las aguas residuales domésticas.

4.- Se pretende que con la construcción de un sistema de tratamiento de agua potable a una ciudad con una mayor cantidad de habitantes, debemos dar una solución para mejorar la calidad de vida de sus habitantes, y que permita un bienestar común durante la vida útil del proyecto.

5.- El incremento en la demanda de agua de abastecimiento a ciudades e industrias, ha

provocado conflictos por escasez del recurso para uso agrícola.

33

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