Diseño de CAPTACION

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Qmax. = 3.720 m 3 /seg Donde: Qmin. = 0.0110 m 3 /seg Qmax.: Caudal maximo de la quebrada (ver calculo de caudal). Q. = 0.0090 m 3 /seg Qmin.: Caudal minimo de la quebrada (ver calculo de caudal). Co = 3650.00 m.s.n.m. Q. : Caudal a conducir por el canal (ver calculo de caudal). b = 5.00 m. Co : : Cota del lecho de la quebrada aguas arriba del barraje b : Ancho del cause que sera igual al barraje + canal de limpia (ver hoja de cálculo del canal). y = 0.55 m. Donde: y: Tirante del canal de conduccón P: Altura del barraje P = 1.65 m. Ingresar: Asumimos: P = 1.65 m. DISEÑO HIDRAULICO DE LA PRESA DERIVADORA O BARRAJE Ingresar los Datos Basicos para el Diseño: DESCRIPCIÓN : Es una estructura cuya funcion es levantar el nivel de agua del rio y facilitar el ingreso a travez de la ventana de captacion de nuestro proyecto.La utilidad del barraje de derivación o azud se acentua en epocas de estiaje. Con la finalidad de mejorar su estabilidad tiene una sección trapezoidal y para reducir a una presion casi nula en todos los puntos del azud se adopta el perfil tipo Greager. 2.- CALCULO DE LA ELEVACION DEL BARRAJE: Según el Ing° TSUGUO NOSAKI , una vez establecido un apropiado tirante "y" de agua en el canal de conducción, se ubicará el vertedero del barraje a una elevación sobre el fondo del rio igual a: 3y Cuando el caudal sea muy pequeño Q < 1.0 m 3 /seg 2.5y Cuando el caudal sea igual a Q = 1.0 m 3 /seg 2.0y Cuando el caudal sea mayor a Q > 10.0 m 3 /seg En nuestro caso el caudal de ingreso o entrada es de 0.5 m3/seg., lo cual nos da un tirante de y =0.55m por ser el Q<1m 3 /seg. el barraje tendra una elevación de 3h. resultando: 1.- Consideraciones de la longitud del barraje "b": Se debe procurar que la longitud del barraje conserve las mismas condiciones naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su regimen. Asi una longitud mas angosta puede ocacionar una carga de agua alta e inundar las margenes, en cambio una longitud de barraje mas amplia pueda ocacionar azolves aguas ariba originando pequeños causes que dificultan la captación en la toma. y P * 3
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    30-Jul-2015
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Qmax. =3.720 m3/seg Donde:Qmin. =0.0110 m3/seg Qmax.: Caudal maximo de la quebrada (ver calculo de caudal). Q. = 0.0090 m3/seg Qmin.: Caudal minimo de la quebrada (ver calculo de caudal).Co=3650.00 m.s.n.m. Q. : Caudal a conducirpor el canal (ver calculo de caudal).b=5.00 m. Co : : Cota del lecho de la quebrada aguas arriba del barrajeb : Ancho del cause que sera igual al barraje + canal de limpia(ver hoja de clculo del canal).y = 0.55 m.Donde:y: Tirante del canal de conduccn P: Altura del barrajeP =1.65 m.Ingresar:Asumimos: P =1.65 m.DISEO HIDRAULICO DE LA PRESA DERIVADORA O BARRAJEIngresar los Datos Basicos para el Diseo:DESCRIPCIN : Es una estructura cuya funcion es levantar el nivel de agua del rio y facilitar el ingreso a travez de la ventana de captacion de nuestro proyecto.La utilidad del barraje de derivacin o azud se acentua en epocas de estiaje. Con la finalidad de mejorar su estabilidad tiene una seccin trapezoidal y para reducir a una presion casi nula en todos los puntos del azud se adopta el perfil tipo Greager. 2.-CALCULO DE LA ELEVACION DEL BARRAJE: Segn el Ing TSUGUO NOSAKI , una vez establecido un apropiado tirante "y" de agua en el canal de conduccin, se ubicar el vertedero del barraje a una elevacin sobre el fondo del rio igual a: 3yCuando el caudal sea muy pequeoQ < 1.0 m3/seg2.5y Cuando el caudal sea iguala Q = 1.0 m3/seg 2.0y Cuando el caudal sea mayor aQ > 10.0 m3/seg En nuestro caso el caudal de ingreso o entrada es de 0.5 m3/seg., lo cual nos da un tirante de y =0.55m por ser el Q + + = h h Po b.- Calculodel tirante conjugadoc.- Clculo del tirante normal:Al final del colchn disipador el flujo debe recuperar el tirante normal de acuerdo a la seccin y pendiente del cause.Diseo del resalto o colchn amortiguador:Por la formula aproximado :Donde:d1: Espesor de la lamina vertiente al pie del azud (m).d2: Espesor de la lamina aguas abajo (m).Q: Caudal de agua sobre el Azud, por metro lineal = m3/seg/m.La velocidad de caida ser: Ht: Diferencia de altura desde elnivel de agua encima de la cresta al fondo del colchon disipador; aproximado para el tanteo.V1: Velocidad de caida (m/seg).g: Gravedad (9.8m/seg)Caudal en m3/seg./mLa altura total del agua He sobre el lecho del rio aguas arriba es:Anterior:V =1.85 m Velocidad en la cresta del barrajeP =1.65 mH = 0.40 m.he =0.58 m. Altura de energia en la crestaHe =2.23 m.Resultado de la formula.La profundidad de la cuenca o colchn sera: He - Ht - d1 = Profun. Por H canales se halla:dn =0.551 m.Tirante de agua del rio en la salidadel colchn disipador.Tanteo Formulad1V1Q HtHe Profun. d2d2d2 - d'20.108 6.86 0.744 2.40 2.23 -0.28 0.83 1.02 0.180.111 6.71 0.744 2.30 2.23 -0.18 0.73 1.01 0.270.113 6.57 0.744 2.20 2.23 -0.09 0.64 0.99 0.360.116 6.42 0.744 2.10 2.23 0.01 0.56 0.98 0.42Segn la formula de la momenta el tirante conjugado en funcin del tirante obtenido al nivel de la poza.Dado que (Cn - C1), debe ser aproximadamente de 0.50 a 1.00 metro, se tantea el nivel del piso de la poza de tranquilizacin hasta que se cumplala ecuacion.Para este calculo efectuamos tanteossuponiendo un Ht ||.|

\|+ + =gdx Vd dd22 2 12. 22 2.2 22 222 1 cnnn nPgVd CgVd C + + + = + +idQd * 45 . 02=tH g V * * 21=11VQd =V h V A Q ). 1 * ( .1= =gVagua t azud P He2) ( ) (2+ + =) () / (3m bseg m QQ =Cosiderando por seguridad:d1 =0.108 m.Cosiderando por seguridad:d2 =0.983 m.Tenemos:V1 =6.42 m/seg.V2 =0.76Resulta:F1 =6.22 m.F2 =0.24 m.por lo tanto: EL FLUJO ES SUBCRITICOcon una superficie muy irregular aguas abajoa.- Clculo de la longitud del colchn disipadorSchoklitschResulta:L =4.37 m.SafranezResulta:L =4.05 m.U.S. Bureau of ReclamationResulta:L =3.93 m.La dimencin del colchn disipadorpara construir sera:Por lo tanto:L =6.00 m.La necesidadde una poza de disipacin y la forma de resalto est ntimamente relacionada al numero de Froude que se expresa: SOLADO O COLCHN DISIPADORd gVF*=) 1 2 ( * ) 6 5 ( d d a L =1 * 1 6 F d L =24 d L =b.-Control de la infiltracinDonde:Lw:Longitud del camino de percolacinAnterior: Cota h:Cc = 3651.30 msnm.C1 = 3649.2 msnm. c: Coeficiente de Lane.hc-1 =2.10 m.Ingresa:h = 2.10 m.c = 3.0 coef.Lw = 6.30 m.c.- Espesor del solado.Donde:e: Espesor en metrosh: Diferencia de altura desde el inicio de la percolacinSGs B: Peso especifico del solado Ton/m3.Como:Donde:h: Carga hidrostatica en m.B: Peso especifico del material del solado : Peso especifico del aguaDonde:h =2.10 m de agua.B =2.30 ton/m3. =1.00 ton/m3.h = h - hfPerdida. Sp: Camino de percolacin parcialSt: Camino de percolacin totalSp =6.30 m.St =8.88 m.h = 1.49 m.Diferencia de cargahidrostatica entre la cresta del barraje y la ua terminal de la poza de disipacin.hf = h.(Sp/St)El agua que se desplaza debajo de la presa por efecto de la percolacincausa el arrastre de los materiales finos creandofenomeno llamado de la tubificacin h c Lw* =)) 1 /( ( *34 = SGs h e) * ' '*( * X Lh h h bC pw Sp + = X Lh * 3* h L Lv L + = Xh L* 3*h X Xv X + = ) * ' '*( * X Lh h h bC pw Sp + =u=Bh H .H = 1.40 m.Resulta:e = 0.63 m. Por recomendacin por algunos autores nos recomienda:e>= 0.90m.e = 0.90 m. espesor a considerard.-Enrocado de proteccin o EscolleraIngresar: Donde: C = 9.0 Coef. Lt: Longitud total escolleraDb = 2.10 m C:coeficiente de Bligh.q = 0.744 m3/seg/m. Anterior Db: Altura comprendida entre la cota de la cresta del barrajeLc = 6.00 mAnterior y la cota del extremoaguas abajo.q: Caudal por metro lineal de vertedero.Lc: Longitud del colchnLt = 2.18 m.Arena fina y limo18Arena fina15Arena gruesa 12Grava y arena 9Bolones y arena 4 - 6Arcilla 6 - 7a.- Velocidad de arrastre Donde:Vc: Velocidad requerida para iniciar el arrastrec:Ingresar:C = 3.2 Coeficiente. d: Diametro del grano mayord = 0.1 m. Vs: Velocidad de arrastreResulta:Vc = 1.52 m/seg.Vs = 1.01 m/seg.b.-Ancho del canal de LimpiaDonde:B: Ancho del canal de limpia en metrosQ: Caudal que discurre en el canal de Limpia en m3/seg.q: Caudad por unidad de ancho m3/seg./mIngresar: Vc: Velocidad de arrastre en m/seg.Q= 0.50 m3/seg. g: Aceleracin de la gravedad en m/seg.2g= 9.80 m/seg.2Vc= 1.52 m/seg.q= 0.36 m3/seg./mResulta:B = 1.40 m.Para el diseo:B = 1.50 m.Coef.Blighmaterial del lecho del cauceSu trazo generalmente es perpendicular al eje del barraje pero puede tener un angulo entre 12 a 45 y el fluyo de la quebrada puede fomar angulos entre 60 y 90 con el eje de captacin. Un bocal esviajado facilita el ingreso de agua en el bocal de toma paro aumenta la sedimentacion frente a la misma;Para separar el canal de limpia del barrajefijo se construye un muro guia que permite encauzar mejor las aguas hacia el canal de limpiaCoef. Que es funcin del tipo de material Arena grava redondeada3.2grava rectangular3.9arena y grava 3.5a4.5 DISEO DEL CANAL DELIMPIAAl final del colchn disipador es necesario colocar una escollera o enrocado con el fin de reducir la erosiny contrarestarel arrastre del materialfino por accin de la filtracin. Coeficiente de Bligh.c b tL q D C L = ) ( 67 . 0s cV cd V 5 . 1 5 . 121= =qQB =gVqc3=c.- Pendiente del canal de LimpiaDonde:Sc:Pendiente del canal de Limpian: Coeficiente de rugosidad deManning.g: Aceleracin de la gravedad en m/seg.2q: Descarga por unidad de anchoen m/seg./ml.Ingresar:n= 0.04 Coef. Manning.g= 9.80 m/seg.2q= 0.36 m/seg./ml.Resulta:Sc = 0.0254 m.Para el diseo:Sc = 2.54 %. Sc = 0.50 % minimo TOMAOCAPTACINIngresar:T= 0.750 Pulg. Donde:V= 3.28 Pies/seg.he:prdida de carga, en pulgadasA= 70 T: espesor de la platina (rejilla), en pulgadasB= 60 V:velocidad de Ingreso atravez de la rejilla, en pies/seg.D= 4 Pulg.(se recomienda V = 1 m/s = 3.28 pies/seg.)A: ngulo de rejilla con la horizontalhe=1.72 Pulg. B:ngulo de aproximacin D: separacin entre ejes de cada platina, en pulgadashe =0.04 mLa mayor parte de las tomas se han hecho en ngulo recto con el barraje pero el boca con el ro puede quedar con un ngulo entre 20' y 30'. La capacidad de la toma se determina de acuerdo a las demandas de la cdula de cultivos en el caso de un proyecto agrcola, o de acuerdo a las capacidades de la central hidroelctrica o del proyecto de abastecimiento de agua potable considerando adicionalmente las prdidas necesarias para eliminar los sedimentos que pudieran ingresar. La velocidad de entrada del agua por los vanos del bocal de captacin debe quedar comprendida entre 0.80 y 1.20 m/seg. El bocal de toma se ubica por lo general aguas arriba del barraje vertedero, procurando que el ingreso de sedimentos sea el mnimo. La toma generalmente es de forma abocinada, en la parte anterior se instalan los orificios de captacin separados por muros, y los flujos de cada compuerta se amortiguan en una poza de tranquilizacin que termina en el punto inicial del canal de derivacin. Con el fin de proteger la toma se levanta una pantalla frontal donde se abren las ventanas de captacin, puede adicionarse en la parte anterior un canal de fuerte pendiente para eliminar gravas, llamado canal desgravador (Diseo Peruano). Los caudales de captacin se calculan como vertederos: Q = c . L . h 3/2 En el caso de que trabajen como orificios, el caudal viene dado por la frmula : Q = c.A.(2gh) 1/2 La longitud de las ventanas por lo general vara de 2.0 a 4.0 m dependiendo de las dimensiones de la compuerta standard. Estructuras principales de la Toma 1.- Rejillas (Trash Racks) Su objetivo bsico es impedir que los materiales de arrastre y suspensin ingresen al canal de derivacin, los cuales causan obstruccin y desbordes aguas abajo de la captacin. Las rejillas platinas unidas mediante soldadura a formando paneles. La separacin entre rejillas se recomienda tomarla de ejea eje; y dependiendo del tipo de material que se quiere impedir su ingreso la separacin variar entre 1 " y 4" (material fino) y de 4" a 8" (material grueso), recomendndose que las rejillas de menor separacin en la parte superior.La colocacin de la rejilla puede ser vertical o con una pequea inclinacin de 1:1/4 para facilitar su limpieza. Esta limpieza se recomienda que se haga mediante accin mecnica ya que cuando es manual en pocas de avenidas es casi imposible ejecutar con la frecuencia debida. La principal objecin de colocar rejillas es que causa prdidas, las cuales deben ser consideradas durante el dimensionamientode la altura del vertedero y en el clculo del tirante en el canal de derivacin.La prdida de carga que ocasiona una rejilla se puede calcular por la frmula: 9 / 29 / 10 2.qg nSc=) ).(sec .( ).(. 32 . 18 / 15 2B senADV The=ANCHO DE LA VENTANA DE CAPTACINNUMERO DE REJILLASElnumero de rejillas esta dado por: Donde:NR= Numero de rejillas Ln =1.00 m.Ln=Ancho total de las ventanas(m.)D=Espaciamiento entre rejillas.NR= 8.84 Rejillas NR= 9.00 RejillasEn la determinacion de la correccion del ancho de las ventanas , se contemplan dos casos:** Si el angulo de desviacion frontal es de 0:b=Ln** Si el angulo de desviacion frontal es diferente de 0:Donde: = 90 - B =30 .Donde:L = Ancho corregido de ventanas (m.)Ln=longitud neta de ventanas(m.)B=Angulo de desviacion frontal.T=Ancho diametro de rejillas (m.)NR=Numero de rejillas.L = 1.32 m.L=1.40 m.El ancho propuesto para la ventana de captacion (Ln) es corregido por el coseno del angulo de desviacion de lafrontal (teta) por el numero de rejillas de las ventanas.ANCHO CORREGIDO DE LAS VENTANAS2.-Ventana de Captacin:Las ventanas de captacin son las entradas de agua de la toma que en ciertos casos estn instaladas en un paramento de concreto totalmente protegido, detrs del vertedero de toma u orificio se colocan los mecanismos de cierre de emergencia y luego las compuertas de control. Los mecanismos de izaje deben ser ubicados en una elevacin superior a las mximas avenidas.Estructuras de la toma 23. . h L c Q =r DesripiadoTransicinLimpiaCompuertagulacionCompuertaRe1 =DLnNRRN TLnL * )) cos(( +u=Donde:Q: Caudal a derivar mas caudal necesario para operacin del sistema de purga.c: Coef. De vertedero, en este caso 1.84Ingresar: L: Longitud de ventana que por lo general se asume ntre 3 a 4 mc =1.84 coef. h: Altura de la ventana de captacin ;ho: Altura para evitar material de arrastre se recomienda 0.60m minimo ho>H/3Q =0.500 m3/seg.Resulta:h =0.34 m.he =0.04 m. Anterior.La altura total de las ventanas esta dado por:h= 0.40 m.Se considerar por seguridad.h =0.40 m.Caudal que se podra captar:Q =0.652 m3/seg.Considerando las dimenciones para el canal desripiador, la cual tendra una compuerta de 0.40x.40cmB =0.40 m.H =0.40 m.Z =1.00h=h1+he3.- Camar de decantacin oDesripiador Entre el vertedero de captacin y los orificios de toma o despus de los orificios de toma se proyecta un canal transversa l al flujo con el propsito de decantar los materiales slidos que pudieran haber ingresado en el bocal de toma. Este canal debe tener f uerte pendiente para eliminar las gravas aguas abajo del barraje. En nuestra opinin, es preferible disear en funcin de generar una velocidad que permita un arrastre del material que pu diera ser decantado, para lo cual es necesario dar una fuerte pendiente paralela al flujo en el ro; pero esto est limiltada por la co ta de salida que le permite al ro, sobre todo en pocas de avenidas. Se recomienda una pendiente mayor de 2%. Asimismo es conveniente que la compuerta de limpia tenga una abertura capaz de descargar el caudal de derivacin en el mejo r de los casos, pero es prctica comn darle un ancho de 1.50 m. a la compuerta. 4.-Compuerta de Regulacin: Son aquellas compuertas que regulan el ingreso del caudal de derivacin hacia el canal principal. Por lo general se recomienda que el rea total de las compuertas sea igual al rea del canal conducto aguas abajo. Asimismo se recomienda que la velocidad de diseo sea de 2.0 a 2.5 m/s. El caudal que pasa por cada compuerta se calcula mediante la siguiente frmula:En la ecuacin, conociendo V (del valor de diseo recomendado), se determina h (por lo general se estima entre 0. 15 a 0.30 m) y luego se halla el valor de A. Cuando se tiene una luz grande es conveniente dividir la luz en varios tramos iguales para disponer de compuertas ms fciles de operar. B HZ DISEO DE LA COMPUERTA DE ADMISION DEL CANALEste diseo se hara empleando el grafico adjunto y la utilizacion de la siguiente formula:Donde:Q=Caudal de descarga en m3/seg.a=Alto de la compuerta en metros.b=Ancho de la compuerta en metros.H=Carga del agua al fondo del orificio en metros.mu=Coeficiente que se obtiene del grafico.Datos:Q= 0.5 m3./seg.b= 0.85 (una compuerta)Hmin= 0.30 m.Hmax= 1.00 m.El diseo se hara para el caso de carga minima:Para un primer intento tomamos como valor de "a" igual a la altura de la ventana de captacion.Considerando Hmin.H= 0.30 m.a= 0.40 m.g= 9.80 m/seg.2Para un H/a= 0.75 0.5 Ingrese el valor del graficoa= 0.50 m.por proceso constructivoTomamos la compuerta de :0.85x 0.40m.H g b a Q * * 2 * * * == H g bQa* * 2 * * =CALCULO DEL CAUDAL MAXIMO QUE PASA POR LAS COMPUERTASHmax= 1.00a= 0.5020.6 ingrese el valor del graficoQ= 1.129 m3/seg. Se regulara con el aliviaderoIngresar:b1 =0.8 m.b2 = 0.4 m.Resulta:L =0.90 m.Por tratarse de un caudal a derivar pequeo de: Q =0.5 m3/seg.No consideraremos dicha estructura.Ingresar:L =2.00 m.h =0.20 m.C =0.50 coef.g =9.80 m/s2Resulta:Q =0.167 m.La Longitud del aliviadero se volvera a calcular con la hoja de calculoCorrespondiente.Para un H/a=5.-Transicin: De acuerdo al criterio del diseador, algunas veces se suele unir las zonas de las compuertas con el canal mediante una transicin, que a la vez permite reducir las prdidas de carga. Para determinar la longitud requerida se aplica el siguiente criterio: 6.-Estructuras de Disipacin Como producto de la carga de posicin ganada por colocacin de la cresta del vertedero de derivacin a una altura sobre el lecho del ro, se genera una diferencia entre el canal antiguo y la zona del bocal, que es necesario controlar mediante la construccinde una estructura de disipacin . Esta estructura por lo general tiene un colchn o poza disipadora, que permite disipar dentro de la longitud de la poza de energa cintica adquirida del flujo y as salir hacia el canal de derivacin un flujo ms tranquilo.Donde: b1 : ancho de la zona de compuertas b2 : ancho del canal de derivacin 7.- Aliviaderos En algunos casos por mala operacin de las compuertas de regulacin ingresan caudales mayores a su capacidad en el canal de derivacin, lo cual obliga instalar aliviaderos para eliminar las excedencias inmediatamente despus del inicio del canal dederivacin. El caudal por eliminar viene dado por la ecuacin: Donde: Q: caudal evacuadoaliviadero en m3/s L: Iongitud del aliviadero en m. h: diferencia de niveles en elaliviadero en m. C: coeficiente de descarga aprox.0.50 ' 30 12 2) 2 1 (tgb bL=21) 2 .( . .154gh C h L Q == H g b a Q * * 2 * * * =8.-Muros de Encauzamiento Son estructuras que permiten encauzar el flujo del ro entre determinados lmites con el fin de formar las condiciones de diseo pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.). Estas estructuras pueden ser de concreto simple o de concreto armado. Su dimensionamiento esta basado en controlar el posible desborde del mximo nivel del agua y evitar tambin que la socavacin afecte las estructuras de captacin y derivacin. En lo referente a la altura de coronacin que estas estructuras deben tener, se recomienda que su cota superior est por lo menos 0.50 m por encima del nivel mximo de agua. Con respecto a su cota de cimentacin, se recomienda que sta debe estar por debajo o igual a la posible profundidad de socavacin (ver diques de encauzamiento). Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar los esfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es prctica comn disear al volteo, deslizamiento y asentamiento.