MEMORIA DE CLCULO Y DISEO DE REPRESAPROYECTO:

ESTUDIO DE FACTIBILIDADMEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE RIEGO A TRAVS DE LA CONSTRUCCIN DE LA REPRESA ARHATA EN LOS SECTORES DE RIEGO DE LOS DISTRITOS DE CHUQUIBAMBA E IRAY, PROVINCIA DE CONDESUYOS AREQUIPA

Distritos: Chuquibamba e IrayProvincia: CondesuyosRegin: ArequipaINDICEContenidoI.INTRODUCCIN3II.DISEOS HIDRULICOS42.1 DISEO DE LA PRESA ARHATA42.1.1 Altura de Presa.42.1.2 Seleccin del Tipo de Presa82.1.3 Esquema Conjunto del Embalse82.1.4 Criterios de diseo82.1.5 Dimensionamiento10a. Ancho de Coronacin10b. Bordo Libre o Resguardo10c. Profundidad de desplante13d. Inclinacin de Taludes13e. Altura de corona15f. Ancho de base152.1.6 Anlisis de Resistencia a la Falla15a.Caractersticas Fsicas de los Materiales15b.Anlisis Esttico y Pseudo-Esttico152.2 OBRAS COMPLEMENTARIAS212.2.1. BOCATOMA N 01.212.2.2. CANAL DERIVACION N 01.232.2.3. BOCATOMA N 02.252.2.4. CANAL DERIVACION N 02.272.2.5. SISTEMA DE DESCARGA292.3. OPERACIN30

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I. INTRODUCCINEl recurso hdrico es un bien preciado para la humanidad, y ms an para nuestros agricultores, cuyo sustento e ingreso monetario depende de la cantidad de agua de la que dispongan para regar sus cultivos. En la mayor parte del pas, existen agricultores que cuentan con tierras muy frtiles, las que podran generarles mayores ingresos y consecuentemente mejorar su calidad de vida, pero en las que se ven limitados al sembrar menos campaas y en menores reas de terreno debido a que el riego slo se puede hacer por secano y/o el agua de la que disponen en sus canales de regado no los abastece del todo.

Actualmente en la zona existe escases en la disponibilidad de recursos hdricos; sin embargo estos, como en la mayor parte de la sierra peruana, no son escasos en lo que a su existencia refiere, slo hace falta una manera ptima de captarlos y utilizarlos y as evitar que se pierda este gran recurso, sobretodo en pocas de lluvias.

Siendo as, a continuacin se detallan los criterios hidrulicos, metodologas y memorias de clculos hidrulicos, estructurales y otros aplicadas al proyecto en las obras de regulacin y conexas; as como en la toma de captacin, de conduccin y derivacin.

Caractersticas Geomtricas de la Presa-Arhata.Las caractersticas principales de la presa construida de concreto armado se disearon en base a las normas y determinaciones adjuntas:

II. DISEOS HIDRULICOS

2.1 DISEO DE LA PRESA ARHATA2.1.1 Altura de Presa.

Los clculos de los volmenes de almacenamiento de agua en la presa se hicieron a partir de la cota 3921 m.s.n.m, correspondiente al fondo del cauce. Segn los datos procesados del cuadro N1 y el grfico de rea-Volumen para el sitio seleccionado que muestra la Figura 1, elaborado en base a la superficie del espejo de agua a diferentes cotas, se puede determinar que para almacenar 8.21 MMC de volumen til requerido se debe llega a la cota 3951 m.s.n.m. que viene a ser el NAMO o nivel normal de embalse. El nivel mximo de aguas extraordinarias (NAME) alcanza la elevacin de 3952.9 m.s.n.m teniendo en cuenta el trnsito de la avenida milenaria de diseo que determina un tirante de 1.9 de aliviadero.

Cuadro 1. Relacin altura volumen del embalseALTURA DE PRESA: 30.00 m.

Fuente: Elaboracin Propia.

Figura 1. Curva rea volumenFuente: Elaboracin propia.

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Figura 2. rea de la represa a 3951 m.s.n.m2.1.2 Seleccin del Tipo de Presa

La tecnologa, factores econmicos y medioambientales gobiernan la eleccin de un determinado tipo de presa.Dentro los factores de carcter tcnico, bsicamente se tienen: las caractersticas geolgicas y geotcnicas de la cimentacin, la conformacin y geometra del sitio de cierre, la disponibilidad y acceso a las reas de prstamo de materiales de construccin y la condicin que la obra no provoque variaciones fundamentales en el medio ambiente que la circunda.

Los requerimientos propios del diseo respecto a la localizacin, geometra, disposicin y conformacin, se han efectuado mediante el anlisis de los siguientes aspectos:

Funcin de la obra Caractersticas topogrficas y geolgicas de la boquilla Condiciones de la cimentacin Calidad y localizacin de los materiales disponibles2.1.3 Esquema Conjunto del Embalse El embalse tiene el siguiente esquema de obras:

Presa Aliviadero de demasas Sistema de descarga

La estructura de concreto armado, tiene un desplante cimentado en la roca que proporciona la estabilidad a la estructura. Debido a que la estructura se cimienta en la roca natural sana de tipo andestica, se han despreciado los empujes propios de la fuerza de subpresin debido a que por ella no se producen filtraciones significantes.El vaso tiene una extensin que sobrepasa un rea de 716,476.99 m2, o 71.6 has (ver Figura 2). En estas condiciones como resultado del trnsito de la avenida de diseo correspondiente a la de un periodo de retorno de 500 aos, capaz de evacuar hacia una quebrada ubicada sobre esta margen derecha. El proyecto ser de un canal de concreto. El sistema de descarga lo constituye la obra de toma que estar ubicado en la parte central de la estructura de la presa, dicha ubicacin obedece a que no se tiene otra posible dentro del sistema, pero con un adecuado diseo no se tendr los inconvenientes del caso.2.1.4 Criterios de diseo

El diseo de una presa de gravedad de concreto armado, consiste principalmente en determinar la estabilidad de una seccin mxima, segn las condiciones extremas supuestas, al menor costo y mxima seguridad. MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE RIEGO A TRAVS DE LA CONSTRUCCIN DE LA REPRESA ARHATA EN LOS SECTORES DE RIEGO DE LOS DISTRITOS DE CHUQUIBAMBA E IRAY, PROVINCIA DE CONDESUYOS AREQUIPA2015

Figura 3. Planteamiento hidrulico

Fuente: Elaboracin propia

El contacto de la presa con la cimentacin ser sobre roca. Teniendo en cuenta que la roca del cauce es sana y que por tanto la permeabilidad de no existe. Para ello se ha previsto un desplante de 1.5 m colocado sobre una capa de 10 cm de concreto puesta con la finalidad de nivelar la superficie. 2.1.5 Dimensionamiento a. Ancho de Coronacin El ancho de la corona de una presa depende de varias consideraciones, como son: Altura e importancia de la estructura. Requerimiento de ancho para proveer masa al terrapln para resistir a los efectos ssmicos. Requerimiento de trnsito vehicular. Practicidad de construccin

El ancho de corona adoptado es 1.5 m, dimensin que deviene por aplicacin de instructivos y normas tcnicas que estn en funcin de la altura de presa, atendindose por tal a la distancia desde su corona hasta su cimentacin excluyendo el empotramiento y la pantalla o cortina no estructural. La altura de presa a su vez est ligada a la capacidad total de embalse. Se tiene as: Elevacin del cauce: 3921 m.s.n.m. Elevacin de la corona : 3954.8 m.s.n.m. Altura de la presa: 33.8 m

b. Bordo Libre o Resguardo

El bordo libre es la diferencia de cotas entre el nivel mximo de embalse (NAME) y el de la coronacin. Este bordo se fija en funcin al oleaje debido al viento y sismos.

La altura mxima de olas generadas por movimientos ssmicos, estimada a partir de los conocimientos actuales, generalmente resulta menor que la del oleaje producido por vientos fuertes, excepto en casos de resonancia cuya probabilidad es siempre incierta. Por dichos motivos y particularmente en este caso por la extensin del vaso y porque topogrficamente no es abrigado, es vlido estimar el bordo libre suponiendo que la altura mxima del oleaje es la correspondiente al viento. Su valor se determina en funcin del fetch efectivo y de la velocidad y direccin del mismo sobre las aguas del embalse. Los clculos se realizaron como se muestra a continuacin:Figura 4. Clculo dimensionamiento del bordo libre

Fuente: Elaboracin propia.En la Figura 3 se puede observar que el bordo libre segn diseo es de 1.90 m.

c. Profundidad de desplanteDebido a la caracterstica rocosa del lugar, se ha previsto un desplante de 1.5 m de profundidad.La roca sobre la que se cimentar la presa es del tipo andestica y sana. Sobre esta se podr encontrar mayor informacin en el captulo de geologa del presente estudio a nivel factibilidad.d. Inclinacin de Taludes Se consideraron dos taludes de 0.3:1 y 0.55:1, correspondientes al paramento aguas arriba y aguas abajo respectivamente. El primero se obtuvo como un valor mayor del mnimo recomendado y cumpliendo con la estabilidad de la presa; el segundo, el recomendado para presas de este tipo en condiciones de fuerza de subpresin despreciable debido a que el basamento es de roca sana, una caracterstica dada por el lugar donde se cimentar la presa. Como se muestra en la figura 5 siguiente.

Figura 5. Inclinacin de talud

Fuente: Elaboracin propia.

e. Altura de coronaLa altura interior y exterior de la corona se determinaron de manera que cumplieran con los principios bsicos de diseo como la estabilidad de la estructura y su relacin de esbeltez, adems de la minimizacin de costos. As, la altura interior de la corona ser de 6.5 m y la exterior, de 1.5 m.

f. Ancho de baseEl ancho considerado ha sido de 27.5 m, cumpliendo de esta manera con la relacin de esbeltez para presas a gravedad de concreto armado, la que se encuentra en el rango de 0.6 y 1.2.1.6 Anlisis de Resistencia a la Falla

a. Caractersticas Fsicas de los MaterialesParmetros de Clculo La presa almacenar un Volumen Total (VU + VM) = 8.21 MMC, y VU es 7.481 MM3, Pero tendr una oferta de agua de 11.99 MMC y una demanda de 11.98 MMC (total-volumen para el anlisis econmico, para el riego de 1189 has), lo se indica que la represa del sistema de riego ser un vaso regular.

La Construccin represa (Sector Arhata) de concreto armado y sus respectivas obras de arte (aliviadero de demasas y obras de descarga), Construccin de dos Bocatomas con sus respectivos canales de derivacin.

b.Anlisis Esttico y Pseudo-Esttico

El anlisis de la Represa Arhata se realiz considerando los factores de seguridad esttico y pseudo-esttico respectivos para cada tipo posible de falla, como se muestra a continuacin:

Cuadro 2. Relacin altura volumen del embalseFACTORES DE SEGURIDAD

ESTATICOPSEUDO-ESTATICO

Deslizamiento1.51.2

Volteo1.31.1

Capacidad Portante< Adm.*< Adm*.

* Capacidad admisible de la roca (kg/cm2)=900.Fuente: Elaboracin propia.

Las condiciones analizadas fueron las de embalse lleno y vaco, adems se consider la fuerza excepcional ssmica para la cual se utiliz un coeficiente ssmico horizontal de 0.18 g. que fue correlacionado con la Escala Mercalli segn el evento extremo histrico, el cual registr una intensidad de VII en el sismo del 2001. Los clculos realizados se muestran a continuacin:Figura 6. Anlisis esttico y pseudo-esttico

Fuente: Elaboracin propia.

2.2 OBRAS COMPLEMENTARIAS

2.2.1. BOCATOMA N 01.Se construir una captacin a 1.3 km aguas abajo del tipo dique que derivar aguas a 400 has de riego; de concreto armado fc = 210 Kg /cm2 y el cuerpo de concreto fc = 175 Kg /cm2+70% P.M. para un caudal de derivacin de 0.4m3/seg.

El clculo de diseo se realiz como sigue:

Figura7. Diseo de Bocatoma N01

Fuente: Elaboracin propia.

2.2.2. CANAL DERIVACION N 01.Se tendr un a canal de derivacin para un caudal de 0.4 m3/seg de 5,850 de longitud. Se utilizara un concreto de Fc=175kg/cm2.Para su diseo se utiliz el programa Hcanales, considerando que el canal es de concreto y tiene tres pendientes distintas a lo largo de su tramo, como se muestra a continuacin:

Pendiente: 0.30%

Pendiente: 0.28%

Pendiente: 0.20%

Toma N01 Cantera en el mismo eje del dique

2.2.3. BOCATOMA N 02.Se construir una captacin a 8.7 km aguas abajo del tipo dique para derivar aguas a las localidades ms alejadas de la represa, las cuales son un total de 483 has.; de concreto armado fc = 210 Kg /cm2 y el cuerpo de concreto fc = 175 Kg /cm2+70% P.M. para un caudal de derivacin de 0.485m3/seg.El clculo de diseo se realiz como sigue:Figura 8. Diseo de Bocatoma N02

Fuente: Elaboracin propia.

2.2.4. CANAL DERIVACION N 02.Se tendr un a canal de derivacin para un caudal de 0.485 m3/seg de 3,790 de longitud. Se utilizara un concreto de Fc=175kg/cm2.Para su diseo se utiliz el programa Hcanales, considerando que el canal es de concreto y tiene cuatro pendientes distintas a lo largo de su tramo, como se muestra a continuacin:

Pendiente: 0.29%

Pendiente: 0.58%

Pendiente: 1.1%

Pendiente: 1.6%

2.2.5. SISTEMA DE DESCARGA

La obra de toma se ha proyectado en la parte central de la estructura de la presa, estar en lnea recta y en forma perpendicular a la estructura de la presa. Dicha ubicacin obedece a la facilidad que representa empalmar el sistema de descarga con la quebrada natural el cual llevara a la zona de riego. El canal de descarga contempla una tubera PVC ISO 1452 clase 5 de 40 de dimetro, escogida bajo criterios de evaluacin de la presin a la que ser sometida y diseo del caudal de salida requerido para vaciar la presa en su totalidad; y 35.18 m de longitud, el cual tendr una proteccin de concreto armado fc=280 kg/cm2. A la salida, cuanta con un cuarto de operacin de 5.3 m de longitud donde se encuentra la vlvula de descarga. Finalmente, la tubera desemboca en la poza disipadora que da lugar al canal de salida. Los detalles grficos de este sistema se pueden encontrar en la lmina PS-1 del presente estudio.

La carga mnima sobre la obra de toma, corresponde a la medida desde el Nivel Mnimo de Embalse (NAMI) al eje del conducto habindose tomado en consideracin que se hace necesario contar con el almacenamiento, la altura mnima de estancamiento de la presa deber sobrepasar la altura sobre el fondo de la misma.

A continuacin se muestran las caractersticas geomtricas de la presa:Cuadro 3. Caractersticas geomtricas de la presa.Caractersticas Geomtricas

DescripcinDatos finalesObservaciones

Altura Estructural de la Presa33.80mAltura de diseo

Altura Hidrulica de Presa30.00mAltura efectiva

Altura del Aliviadero1.90mAlivio

Altura de Borde Libre1.90m

Altura de Almacenamiento30.00m

Ancho de Corona1.50m

NAMO30.00mEfectiva

NAME31.90mPresa ms Aliviadero

2.3. OPERACIN

La operacin se definir para dos situaciones: en funcionamiento normal o regular y en situacin de emergencia.En funcionamiento normal o regular se requieren diferentes caudales segn el mes, los valores de estos fueron definidos en el anexo hidrologa del presente estudio; mientras que la velocidad viene dada por la carga hidrulica en el orificio de salida, por lo que el rea ser la que se deber variar para la operacin. En el cuadro 4 se puede apreciar la apertura de altura (en cm) que se le dar a la vlvula segn el mes correspondiente.

Cuadro 4. Apertura de la vlvula (en cm) para su operacin en situacin regular.MesAPERTURA DE VLVULA ALTURA (cm)

Enero4.00

Febrero2.00

Marzo2.00

Abril5.00

Mayo5.40

Junio5.00

Julio3.00

Agosto4.60

Septiembre7.00

Octubre9.40

Noviembre13.00

Diciembre25.00

En situacin de emergencia que requiera vaciar la presa en su totalidad se abrir la vlvula completamente. En el mes de marzo la presa se encuentra a su mxima capacidad por lo que el tiempo de vaciado es el mayor, de 4.98 das.

El tiempo de vaciado en das se puede apreciar en el cuadro adjunto segn el mes correspondiente.