Obras hidraulicas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

E S C U E L A S U P E R I O R D E I N G E N I E R Í A Y A R Q U I T E C T U R A

U N I D A D Z A C A T E N C O SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA

MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2004

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

I N G E N I E R O C I V I L

P R E S E N T A :

GONZALO LUGO CRUZ Asesor: M. en C. Lucio Rosales Ramírez

AGRADECIMIENTOS A MI MADRE: A la Sra. Zenaida Cruz Vaquero con la mayor gratitud por todos los esfuerzos, tus desvelos, tus sacrificios para que yo pudiera terminar mi carrera profesional. Por las lágrimas que cayeron de tus ojos cuando tus sueños se quebraban. Por haberme dado todo y por enseñarme a luchar por lo que se quiere. Gracias por guiar mi camino y estar siempre junto a mí en los momentos difíciles. Mi triunfo es tuyo... A MI PADRE: Al Sr. Juan Lugo Hernández gracias por tu sacrificio en algún tiempo incomprendido, por tu ejemplo de superación incansable, por tu comprensión y confianza, por tu amor y amistad incondicional, porque sin tu apoyo no hubiera sido posible la culminación de mi carrera profesional. Por lo que ha sido y será... Gracias. A MIS HERMANOS: Lic. María de Lourdes Lugo Cruz, Juan Lugo Cruz, Yolanda Lugo Cruz: no es fácil llegar, se necesita ahínco, lucha y deseo, pero sobre todo el apoyo que me han brindado en todo este tiempo. Ahora más que nunca se acredita mi cariño, admiración y respeto por ustedes. Gracias por lo que hemos logrado: mi trofeo es también vuestro... A CECY: Mil gracias por todo lo que me has dado y sobre todo por la confianza que me has transmitido día con día con tan solo haber creído en mí ¡Te amo! A MIS AMIGOS Y FAMILIARES: Por compartir tristezas y alegrías, éxitos y fracasos, Lo único que acierto a decir es gracias por los detalles, las aventuras y uno que otro placer terrenal que me han brindado en el transcurso de mi vida... (Jarillo (Q.E.D.), Galindo, Etzel, Emelia, Chori, Manuel, Peludo, Toño, Maye, Canto, Chava, Huehuetoca, Rentería, More, Yael, Espíritu, Vakero, Manolín, Kolocho (Chino), Katy, Koño (purge), Chepe Chepe, Komí, Chojojoi,Tocayo, y si se me pasó alguien perdón...) A MIS PROFESORES A todos los profesores que a lo largo de mi vida formativa e informativa han aportado algo para forjar el carácter que poseo. En especial a todos los profesores que hacen que nuestra querida ESIA siga en pié (Ing. Castro Paredes, Ing. Arroyo Trejo, Ing. Flores Ruiz, Ing. Sofío Cruz Estrada, Ing. Santana, Ing. Curtis Dietz, Ing. Gonzalo Monrroy, Ing. Moisés Domínguez Bonilla (Q.E.D.) Ing. Lucio Rosales Ramírez)

GONZALO LUGO CRUZ

OBRAS DE DERIVACIÓN PRÓLOGO

PRÓLOGO

La mayoría de los jóvenes que ingresamos a cualquier sistema de educación superior tenemos cierta inquietud por resolver alguno de los problemas que aquejan al país, o al menos tenemos conciencia de ellos. La diferencia del grado de participación real en las acciones de resolución estriba sencillamente en la motivación que el estudiante sienta para aceptar el reto y la motivación promueve la confianza.

Precisamente nuestra carrera, la ingeniería civil, tiene un inmenso campo de trabajo; la mayor parte de esa área esta dedicada a solucionar los problemas que afectan el desarrollo de la calidad de vida del mexicano. El ingeniero civil crea, inventa, evalúa, proyecta, diseña, construye, supervisa, opera y administra gran parte de la infraestructura que sostiene ese desarrollo.

Es lógico pensar entonces que en las escuelas superiores donde se preparan ingenieros civiles, se motive a los alumnos a abordar con entera confianza los problemas que detienen al país, utilizando para tal efecto lo más valioso que tienen los jóvenes mexicanos: el ingenio. La ingeniería civil permite el ejercicio del ingenio y por eso es tan hermosa. Pero el desarrollo del ingenio implica actualmente el manejo de herramientas con suficiente conciencia y conocimiento teórico que nos hace competitivos y por tanto eficientes en el desempeño de nuestras actividades.

Sin lugar a duda, más de un compañero (alumno, profesor, investigador, profesionista, etc.) en algún momento que tuvo la necesidad de consultar algún tema relacionado con obras de derivación y se encontró con la desagradable sorpresa de que el material es escaso o fuera de edición. Aclaro que no se pretende que con este trabajo se sustituya de manera radical las fuentes de información existentes sino que es mi intención aportar de manera sintetizada información a la mayor parte de las personas interesadas en el tema.

La presente obra se divide en 5 capítulos: el primero se refiere a una breve descripción de los tipos de obras de derivación así como datos sobre algunas de las obras de derivación más importantes para las actividades agrícolas en México: Presas Derivadoras. El segundo capítulo comprende en el estricto uso de la palabra el “objetivo” de las obras de derivación. En el tercer capítulo se exponen las bases mínimas para facilitar la labor de las personas relacionadas con el proyecto de presas de derivación. En el cuarto capítulo se aborda la solución a un problema de proyecto de canal de derivación utilizando criterios de investigadores soviéticos. En el último capítulo se hacen conclusiones sobre la obra.

Debido a lo tedioso que puede resultar la solución manual del problema que abordo, se realizó una hoja de cálculo en conocida paquetería (Microsoft Excel) la cual si no es tan sofisticada debido a la simplicidad de su logística, sí disminuye de manera radical el cálculo manual.

OBRAS DE DERIVACIÓN ÍNDICE

ÍNDICE

Páginas

I.- OBRAS DE DERIVACIÓN I.1 TOMAS DIRECTAS I.2 BARAJES SIMPLES I.3 CAJAS DE MANANTIALES I.4 GALERÍAS FILTRANTES I.5 DIQUES SUBTERRÁNEOS I.6 PLANTAS DE BOMBEO I.7 PRESAS DE DERIVACIÓN

1 - 28

II.- OBJETIVO

29 - 30

III.- JUSTIFICACIÓN III.1 PARTES ESENCIALES DE UNA PRESA DERIVADORA

III.1.1 CORTINA O DIQUE VERTEDOR III.1.2 BOCATOMA U OBRA DE TOMA III.1.3 ESTRUCTURA DE LIMPIA III.1.4 OBRAS COMPLEMENTARIAS

31- 102

IV.- ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN IV.1 CANAL CON PLANTILLA VARIABLE IV.2 EJEMPLO IV.3 ANÁLISIS HIDRÁULICO

103 - 127

V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES V.1 CONCLUSIONES V.2 RECOMENDACIONES

128 - 131

BIBLIOGRAFÍA

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OBRAS DE DERIVACIÓN

CAPÍTULO I OBRAS DE DERIVACIÓN

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN

I.- OBRAS DE DERIVACIÓN Se definen como obras hidráulicas de derivación, aquellas que se construyen con el objeto de aprovechar las aguas superficiales en forma controlada y sin alterar el régimen de la fuente de abastecimiento, disponiéndolas de tal manera que se puedan conducir hasta el sitio de utilización ya sea por gravedad o bombeo. De acuerdo con lo anterior y considerando las características, tanto de la fuente de aprovechamiento como de la obra, básicamente se tienen los siguientes tipos de obras de derivación:

I.1 Tomas directas I.2 Barajes simples I.3 Cajas de Manantiales I.4 Galerías Filtrantes I.5 Diques subterráneos I.6 Plantas de Bombeo I.7 Presas de derivación

1

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.1 TOMAS DIRECTAS

La Toma Directa representa una de las soluciones más simplistas para efectuar una derivación y se adopta cuando la fuente de aprovechamiento puede proporcionar un caudal mucho mayor que el gasto deseado. En estos casos no es necesario elevar el nivel del agua de la fuente para encauzarla hacia el sitio deseado, ya que se busca contar en forma natural, con un tirante adecuado y condiciones topográficas favorables que posibiliten un funcionamiento hidráulico correcto (ver Fig. I.1 y I.2). El tirante necesario puede tenerse en alguna poza que haga las veces de una presa derivadora natural localizada en un lugar firme. Esencialmente consta de un canal abierto que comunica a la fuente directamente con el conducto que llevará el agua a su destino, y de una estructura en la que se instalan rejillas y compuertas para el control del paso de agua. Especialmente se construyen en lagos y ríos. Este tipo de obra no cuenta con ningún dispositivo para evitar el azolvamiento de la estructura y lo que se procura, es captar las aguas a un nivel lo más alto que sea posible del fondo del cauce.

Plantilla del canalde acceso

Rejillas

Compuerta para control

Muro de mampostería

Perfil de terreno

Inicio del canalde riego

Fig. I.1 Toma directa

Agujas

Cauce

Rejilla

Compuerta

Canal de acceso

Inicio del canal

Fig. I.2 Toma directa

2

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.2 BARAJES SIMPLES

Los barrajes son quizá la forma más rudimentaria de las obras derivadoras utilizados en ríos y arroyos (ver Fig. I.3, I.4, I.5). La idea que se persigue con ellos, es constituir una pantalla que obstaculice el paso de la corriente, obligándola a formar un tirante mayor al normal, para desviar parte del agua y encauzarla a un canal localizado en una de las márgenes del río. Los barrajes de construyen transversalmente a la corriente y se forman con tablaestacados, ramas de árboles y diques de arcilla o con material de acarreos del mismo río. Generalmente se emplean en aprovechamientos provisionales y de poca magnitud ya que se tiene la necesidad de un constante acondicionamiento, porque son fácilmente deteriorados por la corriente, especialmente en época de crecientes, por lo que se aconseja su construcción después de la temporada de lluvias. Este tipo de obra ya permite un desarenamiento natural y la construcción del canal de riego a un nivel, que el logrado con la toma directa.

Relleno de morteroo concreto

Tarima Estructura de madera

Fig. I.3 Barraje simple

Relleno de piedray troncos

Leñosgruesos

Piedras grandes


3


Enrocamientoo terraplén apiso-nado

Tarima rústica

Troncos


I.3 CAJAS DE MANANTIALES Para captar el agua de los manantiales se construyen Diques y Cajas de concreto o de mampostería dispuestos en forma tal, que se logre reunir en un sitio convenientemente elegido, la aportación de cada venero para facilitar y controlar la derivación (ver Fig. I.6).

Terreno natural

Demasías

Entrada

AfloramientoArena y grava

Lavado y demasías

Al colector general

Fig. I.6 Caja en manantial

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.4 GALERÍAS FILTRANTES La Galería Filtrante se emplea para captar el agua subálvea de los ríos y en algunos casos se combina con la construcción de las presas derivadoras o de las tomas directas para mejorar el aprovechamiento de la corriente (ver Fig. I.7). Consisten fundamentalmente en uno o en varios conductos perforados y sin juntar, dispuestos en forma conveniente a un nivel inferior del fondo natural del cauce, a fin de recolectar y conducir las filtraciones a un depósito también subterráneo del cual se extrae el gasto recolectado.

Perfil del cauce

Acarreos Colector

A la utilizaciónTubos perforados

Fig. I.7 Galería filtrante

5


I.5 DIQUES SUBTERRÁNEOS Los Diques Subterráneos son pantallas que se interponen bajo el fondo del cauce de los ríos, para cortar las filtraciones del agua entre los acarreos y propiciar el afloramiento de las corrientes subálveas una vez que estas hayan sido convenientemente definidas (ver Fig. I.8 y I.9). Se forman de diferentes materiales, como concretos, arcilla compacta, lechadas de cemento y bentonita, etc. En algunos casos el dentellón de un dique vertedor se prolonga lo suficiente para hacer las funciones de pantalla subterránea.

Fondo del cace

Cortina

Pantalla impermeable(Lechada Cemento - Bentonita)Acarreos

Estrato impermeable

Fig. I.8 Dique subterráneo

Material impermeable

Dique de Arcillacompactado

Cortina para derivación

Fig. I.9 Dique subterráneo

6

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.6 PLANTAS DE BOMBEO Cuando se ha definido la necesidad de bombear el agua para llevarla hasta un sitio convenientemente elegido, las estructuras ya mencionadas se complementan con una planta de bombeo, formando así lo que se puede llamar un sistema de derivación con bombeo (ver Fig. I.10).

Fig. I.10 Equipo de Bombeo en Toma directa sobre río o canal

I.7 PRESAS DE DERIVACIÓN Las Presas de Derivación, son estructuras que se originaron al mejorar el funcionamiento de los barrajes y la efectividad de las tomas directas. Consecuentemente mediante este tipo de obra se controla el paso de la corriente, de eleva el tirante del agua para encauzarla hacia la obra de toma y el gasto de derivación, es controlado con ésta última estructura (ver fig. I.11).

Las presas derivadoras tienen como principal función la irrigación; la mayoría de las construidas en México cumplen tal objetivo, sin embargo algunas otras cumplen funciones de abastecimiento de agua, generación de energía a pequeña escala y control de avenidas en casos muy especiales. Los tipos utilizados son varios desde bastante sencillos de tierra y enrocamiento, de sección gravedad de mampostería o concreto y de sección mixta, hasta soluciones con estructuras importantes como las presas de arco y de contrafuertes.

7

El tipo más usado en México es el de tierra y enrocamiento, llamado “Tipo Indio” originado por evolución empírica, con cierta dosis de técnica, de las construcciones rudimentarias para derivación, formadas por simples promontorios de troncos con tierra y roca. Esta frecuencia de uso se debe a que este tipo de estructuras es de construcción expedita, de bajo costo y a que, destinada la mayoría de las veces a derivar corrientes torrenciales, es notable la poca ocurrencia de daños importantes durante su funcionamiento.


Fig. I.11 Esquemas de una Presa Derivadora A continuación se enuncian algunas presas derivadoras existentes en México mencionando las estructuras que la forman y la función que desempeñan con la finalidad de dar una idea general sobre los diversos tipos de presas derivadoras.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.1.- PRESA ING. ANDREW WEISS

Fig. I.12 Fotografía de la presa Ing. Andrew Weiss

Fig. I.13 Localización

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Se encuentra localizada sobre le río Humaya, 13 Km aguas debajo de la presa Presidente Adolfo López Mateos y a 17 Km del norte de la ciudad de Culiacán. Cuenca: Su área es muy limitada puesto que la presa de almacenamiento antes mencionada controla casi la totalidad del escurrimiento del río Humaya Función: Es la estructura derivadora de las descargas de la presa de almacenamiento hacia el canal de El Humaya, para riego de los Valles de Pericos, Guamúchil y Sinaloa y complementar el abastecimiento para el Valle de Culiacán enviando el agua hasta la presa de ese nombre por el propio cauce del río Humaya. Avenida máxima: Para el diseño de la obra, se consideró un gasto máximo de 6000 m3/seg DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Es del tipo de enrocamiento con geometría tipo “Indio” que permite sea esencialmente vertedora.

Características geométricas: Longitud de corona: 265 m Altura máxima desde el desplante: 8.50 m Talud aguas arriba: 3:1 Talud aguas abajo: 12:1

Obra de toma: Es una estructura de concreto reforzado localizada en la margen derecha de la cortina que forma tres orificios para alojar al mismo número de compuertas radiales de 4.00 m de ancho por 3.80 de altura que controlan el paso del agua hacia el canal. La capacidad de la estructura es de 110 m3/seg. Desarenador: Localizado en el extremo derecho de la cortina; consiste en una estructura de concreto que forma 4 vanos en los que se alojan 4 compuertas radiales de 5.00 m de ancho por 6.25 m de altura.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.2.- PRESA ING. BLAS BALCARCEL (El Mezquite)

Fig. I.14 Fotografía de la presa Ing. Blas Balcarcel


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CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Lerma en la zona limítrofe de los estados de Jalisco y Michoacán, cuenta con dos caminos de acceso: el de la Margen izquierda a 2 Km de la carretera Guadalajara Zapotlanejo y el de la Margen derecha a 17 Km desde Yurécuaro. Cuenca: Su área está limitada por la presa Melchor Ocampo (El Rosario) localizada sobre el río Angulo Michoacán afluente del río Lerma y por una serie de pequeños almacenamientos ubicados en las corrientes secundarias que se aprovechan para fines de riego y usos domésticos. Función: Esta presa permite derivar las aportaciones de la presa Melchor Ocampo y los escurrimientos del río Lerma hacia las unidades de riego La Barca y Yurécuaro. Avenida máxima: Se tiene considerada para esta presa una avenida de 1000 m3/seg para lo cual se ha diseñado una estructura vertedora en forma de cimacio de cresta libre. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Es una estructura de sección vertedora, construida con mampostería y totalmente revestida de concreto. Cuenta en la parte inferior de aguas abajo con un disipador de energía en forma de salto de esquí. Está desplantada sobre materiales de acarreo del río, contando con dentellones profundos en los extremos aguas arriba y aguas abajo.

Características geométricas: Longitud de corona: 190 m Altura máxima desde el desplante: 6.90 m Elevación cresta vertedora: 1561.40 m Elevación corona: 1564.50 m

Obra de toma: Está proyectada para una capacidad de 25 m3/seg y se localiza en la margen derecha; consta de 3 conductos cuadrados de 1.83 m por 1.83 m, operados mediante compuertas deslizantes de mismas dimensiones para control de gastos. Desarenador: Está localizado en la margen derecha del río y consta de dos compuertas radiales de 3.50 m por 4.00 m con capacidad de 100 m3/seg.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.3.- PRESA EL CORCOVADO

Fig. I.16 Fotografía de la presa “El Corcovado”


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: La presa derivadora “El Corcovado” está localizada sobre le río Ayuquila a unos 30 Km aguas debajo de la presa de almacenamiento de “Tacotán”, en le límite do los municipios de Autlán y El Grullo, a un kilómetro al sur del puente armería, instalado para dar paso a la carretera Guadalajara – Manzanillo. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Esta obra está constituida por una sección vertedora de enrocamiento, tipo “indio”. La estructura tiene una longitud de 160 m y altura máxima de 3.50 m sobre el lecho del río. Aguas arriba está formada por una zona impermeable de 12 m de ancho, construida con tierra vaciada a volteo y compactada por el paso de vehículos; está protegida por una capa de roca de 1.00 m de espesor. Aguas abajo, y a un metro inferior de la cresta se construyó un delantal de enrocamiento. Obra de toma: Estas estructuras están situadas en los extremos de la presa, ligadas a esta y construidas totalmente de concreto reforzado. Consisten en tres conductos: 2 para la margen derecha y 1 para la margen izquierda, son de sección cuadrada, pudiéndose extraer entre los tres conductos un gasto de 15.00 m3/seg mediante compuertas deslizantes operadas manualmente. Desarenador: Las obras de limpia de ambas márgenes consisten en estructuras de concreto reforzado que forman 3 vanos para la margen derecha y dos para la margen izquierda, donde se alojan compuertas radiales para el control de las descargas.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.4.- PRESA ESTEBAN BACA CALDERÓN (Las Gaviotas)

Fig. I.18 Fotografía de la presa Esteban Baca Calderón


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Ameca, en el sitio denominado Las Gaviotas, a 35 Km de su desembocadura al Océano Pacífico y a 4 Km aguas arriba del poblado El Colomo Nayarit. Cuenca: El río Ameca, límite natural en parte de los estados de Jalisco y Nayarit, en su recorrido recibe varias corrientes tributarias siendo los principales los ríos Ahululco, Atenguillo, Ahuacatlán y Mascota. Hasta su desembocadura al Océano Pacífico en la bahía de Banderas, drena un agua de cuenca de 12 214 Km2. Función: Deriva las aguas del río Ameca para el riego en el Distrito de Riego del Bajo río Ameca. Avenida de diseño: Se consideró un gasto máximo de 4000 m3/seg de acuerdo con el régimen de la corriente. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: De acuerdo a los materiales de construcción, es de enrocamiento, con geometría tipo “indio”, desplantada totalmente sobre los materiales de acarreo del río. En cuanto a su funcionamiento, es vertedora y transitable en épocas de estiaje para lo cual cuenta con rampas de acceso en ambas márgenes.

Características geométricas: Longitud de corona: 322 m Altura máxima desde el desplante: 6.50 m Talud aguas arriba: 3:1 Talud aguas abajo: 12:1

Obra de toma: Margen derecha.- Es una estructura de concreto reforzado que forma 3 vanos para alojar el mismo número de compuertas deslizantes que controlan el paso del agua a conductos de concreto reforzado que descargan al canal principal. La capacidad de esta estructura es de 8 m3/seg. Margen izquierda.- Es del mismo tipo del de la derecha, tiene 3 compuertas deslizantes alojadas en los vanos formados por la estructura de concreto reforzado, que controlan el paso del agua a conductos también de concreto reforzado, que descargan al canal principal. La capacidad de esta estructura es de 2 m3/seg. Desarenador:

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En ambas márgenes estructuras de concreto reforzado que forman 2 vanos para alojar compuertas radiales que se operan desde un puente de maniobras localizado en la corona de las pilas.

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.5.- PRESA GRAL. FELIPE ÁNGELES (El Recodo)

Fig. I.20 Fotografía de la presa Gral. Felipe Ángeles


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CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: La boquilla “El Recodo” sobre el río Tula se encuentra a unos 5 Km aguas arriba de la población de Ixmiquilpan, Hgo. Cuenca: El área de la cuenca queda limitada al tramo que se tiene entre esta y la presa derivadora “Chilcuautla” ubicada a unos 15 Km aguas arriba sobre el río Tula. Función: Esta presa deriva los escurrimientos del río tula, controlados en la presa de almacenamiento “El Endhó” que regulariza gran parte de las avenidas. El vertedor tiene una capacidad de 600 m3/seg. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Se trata de una estructura tipo sección gravedad de mampostería, con tramo central vertedor que en su descarga remata con una estructura deflectora

Características geométricas: Longitud de corona: 128 m Altura máxima desde el desplante: 33.50 m Talud aguas arriba: 0.14 : 1 y 0.1 : 1 Talud aguas abajo: 0.55 : 1 y 0.77 : 1

Obra de toma: Se encuentra ubicada en la margen izquierda de la cortina, y está integrada a esta mediante un conducto de sección rectangular de concreto reforzado, que pasando a través de la sección de la cortina comunica con el túnel de conducción. La capacidad de la obra de toma es de 4.00 m3/seg, y el control se efectúa mediante la operación de una compuerta deslizante. Desarenador: Consiste esencialmente en una estructura de concreto reforzado, que en su plantilla se adapta a la geometría de la sección de la cortina y forma parte integrante de esta, dispone de una pantalla de concreto para formar un orificio, controlado mediante la operación de una compuerta radial con malacate elevador desde el puente sobre la estructura, que es prolongación de la corona de la cortina. La capacidad de esta estructura es de 60 m3/seg.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.6.- PRESA INTERNACIONAL RETAMAL

Fig. I.22 Fotografía de la presa Internacional Retamal


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CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río bravo, a 30 Km aguas abajo de la ciudad de Reynosa del Estado de Tamaulipas Función: Por medio de la estructura localizada en el río, restringe el gasto hacia aguas abajo hasta un máximo de 570 m3/seg, derivando hacia los cauces de alivio “El Culebrón” y “Mission”, un gasto de 2 970 m3/seg en cada uno. Avenida de diseño: El gasto máximo para el diseño del sistema fue de 7 080 m3/seg DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Estructura derivadora: Consiste en una estructura en forma de peine, de concreto reforzado, constituida por dos pilas centrales para instalación de los mecanismos de control de la compuerta central automática de tipo radial con la que se da el servicio normal de control. Además cuenta con dos pilas extremas y 2 muros laterales que forman dos vanos para alojar compuertas radiales que se previeron para un caso de falla de la compuerta central o bien, si posteriormente se incrementara la capacidad del cauce aguas abajo, se pueda descargar un gasto mayor al previsto. En la parte superior de la estructura, dentro de una caseta, se instalaron los tableros de control para operación de las compuertas. La capacidad normal de la estructura es de 570 m3/seg, incrementándose a 850 m3/seg cuando se operen las compuertas laterales. Cauce de alivio “Culebrón”: Localizado en la margen derecha del río, entre la Derivadora y el Canal Retamal, constituye la obra de excedencias del sistema, descargando los caudales ocasionados por el remanso hacia el Golfo de México. Es una estructura sencilla de concreto reforzado de 700 m de longitud en forma de delantal en cuyo extremo de aguas arriba forma un umbral vertedor y en el extremo de abajo dispone de una trinchera rellena de enrocamiento para protección contra erosiones. La capacidad de esta estructura es de 2 970 m3/seg. Bordos de protección: Al restringirse el gasto del río por medio de la estructura derivadora, se ocasiona un remanso en el recinto aguas arriba, el cual fue cerrado por medio de diques y bordos de protección, de tierra.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.7.- PRESA JOCOQUI

Fig. I.24 Fotografía de la presa Jocoqui


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Santiago, a 9 Km aguas abajo de la Presa de almacenamiento Calles y a 26 Km al noroeste de la Ciudad de Aguascalientes, en el municipio de Rincón de Ramos del estado de Aguascalientes. Cuenca: Se limita a la comprendida en el cañón de Santiago, ya que la parte alta está controlada por la Presa Calles, por lo que es de poca magnitud. Función: Deriva las aguas del río Santiago y del Arroyo Pabellón almacenadas en la Presa Calles, hacia el Distrito de Riego Pabellón. Avenida de diseño: Al igual que la presa pabellón, la Comisión Nacional de Irrigación decidió dotar a la presa de 2 vertedores, uno de servicio y otro de emergencia formado por la corona total de la cortina y debido a su tipo, los volúmenes excedentes pueden verterle sin ocasionarle daños de consideración. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Estructura rígida de arcos múltiples de concreto reforzado apoyados en contrafuertes de mampostería.

Características geométricas: Longitud de corona: 80 m Altura máxima desde el desplante: 44 m Taludes aguas arriba: 1 :1 y 0.52 : 1 Taludes aguas abajo: 0.38 : 1

Vertedor: El de servicio está alojado en los dos arcos de empotramiento izquierdo, limitado a una longitud de 20 m, quedando 1 m debajo del resto de la corona. Las descargas a través del paramento se encauzan hasta el río por medio de muros de mampostería que forman parte de los contrafuertes. Obras de toma: Principal.- Consiste en una estructura de concreto en arco provista de 3 orificios con compuertas deslizantes para controlar el paso del agua hacia el túnel de conducción. Su capacidad es de 13.4 m3/seg.

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Secundaria.- Para atender a concesiones aguas debajo de la presa, se localiza en un arco la obra de toma que consiste en 2 tuberías con rejillas en el extremo de aguas arriba y válvulas de compuerta en sus extremos aguas abajo.

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.8.- PRESA LA PATRIA ES PRIMERO (Las Alazanas)

Fig. I.26 Fotografía de la presa La Patria Es Primero


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CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Soto La Marina, en el sitio “Las Alazanas” que se ubica a 26 Km aguas debajo de la presa de almacenamiento “Vicente Guerrero Consumador de la Independencia”, en el municipio de Padilla en el Estado de Tamaulipas. Cuenca: Es de poca magnitud, ya que la presa de almacenamiento del sistema controla los escurrimientos generados en la parte alta. Función: Deriva las descargas controladas de la presa “Vicente Guerrero Consumador de la Independencia” hacia la zona de Riego de Soto La Marina. Gasto de diseño: Se consideró un gasto máximo de 5000 m3/seg, integrado por la máxima de la presa de almacenamiento y por su cuenca propia. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Está construida en un estrechamiento del cañón de La Capilla labrado en formaciones de calizas, que presentaron condiciones aceptables para la construcción de la cortina de tipo rígido de sección gravedad de concreto. La capacidad de la estructura vertedora es de 5 000 m3/seg.

Características geométricas: Longitud de corona: 329 m Altura máxima desde el desplante: 44 m Longitud de la cresta del vertedor: 179 m

Obra de toma: Se localiza en la margen izquierda y cuenta con 6 compuertas metálicas deslizantes las cuales corresponden al túnel Mariano Matamoros y al Túnel No. 2 Desarenador: Se encuentra alojado en la margen izquierda; consiste en una estructura de concreto de sección vertedora, con un solo vano donde se instaló una compuerta radial. La capacidad de la estructura es de 245 m3/seg.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.9.- PRESA LAS PILAS

Fig. I.28 Fotografía de la presa Las Pilas


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Tehuantepec a 9 Km aguas arriba de la ciudad del mismo nombre, en el Estado de Oaxaca. Cuenca: Al construirse la presa “Benito Juárez” localizada sobre el río Tehuantepec a 25 Km aguas arriba de la derivadora, su área quedó limitada entre ambas estructuras, debido a que esta controla casi la totalidad de los escurrimientos que se generan en dicha cuenca. Funcionamiento: Es la estructura derivadora de las descargas controladas de la presa de almacenamiento antes mencionada y de los escurrimientos que se generan en su propia cuenca. Avenida de diseño: El tramo vertedor de la cortina tiene capacidad para descargar 7 500 m3/seg. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Cortina: Atendiendo a su funcionamiento consta de 2 tipos de cortina: uno vertedor formado por un cimacio con cresta libre de concreto ciclópeo y otro no vertedor formado por un dique con núcleo de material impermeable protegido con una capa de enrocamiento.

Características geométricas: Elevación de la corona del dique: 52.20 m Elevación de la cresta vertedora: 47.50 m

Obra de toma: Localizada en la margen izquierda, ligada con la estructura de limpia y normal a ella, es de concreto reforzado consta de 7 claros controlados con compuertas radiales accionadas mediante mecanismos elevadores localizados en el puente de maniobras. Tiene capacidad para 70 m3/seg Desarenador: De concreto reforzado, se localiza entre la sección vertedora y la obra de toma, consta de 3 claros que se cierran por medio de compuertas radiales operados con mecanismos elevadores localizados en el puente de maniobras. Tiene como principal objetivo desalojar el material de arrastre del río acumulado en la proximidad de la toma, tiene capacidad para descargar 90 m3/seg con compuertas totalmente abiertas.

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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.7.10.- PRESA SACA DE AGUA

Fig. I.30 Fotografía de la presa Saca de Agua


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA: Localización: Sobre el río Guayalejo, aproximadamente a 35 Km aguas arriba del vaso “Las Ánimas” y a 8 Km al noreste de Ciudad Mante. Función: Deriva escurrimientos del río Guayalejo hacia la presa de almacenamiento “Las Ánimas”. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS: Estructura derivadora: Localizada sobre el río Guayalejo construida de concreto reforzado. Es una estructura en forma de peine, constituida por pilas y losa de cimentación común en cuyos 9 vanos se alojan compuertas radiales que controlan las descargas hacia aguas abajo. En la parte superior cuenta con 2 puentes, uno para paso de vehículos y otro para los malacates de operación de las compuertas. La altura máxima de la estructura es de 22 m. Obra de toma: Situada en la margen derecha inmediatamente aguas arriba de la estructura derivadora. Esta estructura tiene por objeto controlar mediante 4 compuertas radiales los volúmenes de agua derivados hacia la presa “Las Ánimas”. La capacidad de diseño de esta obra es de 100 m3/seg. Desarenador: Con las compuertas extremas de margen derecha de la estructura derivadora, se da el servicio de limpia a la entrada de la toma.

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CAPÍTULO II OBJETIVO

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO II: OBJETIVO

II.- OBJETIVO ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN APROVECHAMIENTO SUPERFICIAL Los elementos que forman un aprovechamiento hidráulico son en general siete, los que se agrupan y relacionan en la Fig. II.1 que se presenta a continuación para su mejor comprensión.

Estación Climatológica

Cuenca1

2

3

45

6

7

Almacenamiento

Presa

Presa

río

Estación de aforos

estación climatológica

Fig. II.1 Aprovechamiento hidráulico

En el croquis anterior aparecen:

1. Área de captación o cuenca hidrográfica de un río, definida a partir del sitio de almacenamiento.

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2. Almacenamiento, formado por una presa, en un sitio previamente escogido, que es donde se cambia el régimen natural del escurrimiento al régimen artificial de la demanda, de acuerdo con el fin o los fines a que se destine. Aquí es conveniente recordar que una presa consta, en lo general, de las partes siguientes:

Vaso Cortina

Presa Obra de desvío Obra de toma Obra de excedencias

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO II: OBJETIVO

3. Derivación, en donde, por medio de una presa, se deriva el escurrimiento del río hacia el sistema de conducción, el que, por conveniencia, a menudo se localiza a niveles superiores a los del lecho del río.

4. Sistema de conducción que puede estar formado por conductos abiertos o cerrados y sus estructuras; a través del cual se conduce el agua desde el punto de derivación hasta la zona de aprovechamiento.

5. Sistema de distribución, el cual se constituye de acuerdo con el fin específico de aprovechamiento. Por ejemplo: canales para riego por gravedad, tuberías a presión para plantas hidroeléctricas, tomas domiciliarias en el caso de abastecimiento, procedimientos directos de riego, etc.

6. Utilización directa del agua, la cual se efectúa también mediante elementos específicos según el fin de que se trate. Por ejemplo, turbinas en el caso de plantas hidroeléctricas, tomas domiciliarias en el caso de abastecimiento, procedimientos directos de riego, etc.

7. Eliminación de volúmenes sobrantes, la cual se efectúa por medio de un conjunto de estructuras especialmente construidas al efecto: sistema de alcantarillado en el caso de abastecimiento; drenes, en el caso de sistema de riego; estructura de desfogue, en el caso de plantas hidroeléctricas, etc. En la Fig. II.1 se indica que los retornos o sobrantes del agua utilizada se regresan al cauce en la misma cuenca, condición que, desde el punto de vista del derecho humano, se debe procurar que se respete cuando las condiciones sanitarias o ecológicas lo permitan.

OBJETIVO DE LAS OBRAS DE DERIVACIÓN Generalmente se piensa en una captación por derivación, cuando el caudal normal que se pretende aprovechar es igual o mayor que el necesario para satisfacer la demanda de algún problema en cuestión y es claro que se adoptará una obra de almacenamiento cuando el gasto de la corriente sea menor que el gasto requerido. Las fuentes de abastecimiento que se aprovechan para construir este tipo de obras son principalmente: arroyos, ríos, lagunas y manantiales. En algunas ocasiones se combina la captación de los escurrimientos superficiales con la de las aguas subálveas y por ello algunas obras, como la galería filtrante, pueden quedar incluidas en las obras de derivación.

Por lo cual se menciona en esta tesis en el capítulo uno, una breve descripción de los tipos de obras de derivación así como datos sobre algunas de las obras de derivación más importantes para las actividades agrícolas en México: Presas Derivadoras. En el segundo capítulo se aborda en el estricto uso de la palabra el “objetivo” de las obras de derivación de manera breve. En el tercer capítulo se exponen las bases mínimas para facilitar la labor de las personas relacionadas con el proyecto de presas de derivación. En el cuarto capítulo se aborda la solución a un problema de proyecto de canal de derivación utilizando criterios de investigadores soviéticos. En el último capítulo se hacen conclusiones sobre esta tesis.

30Esta tesis en general se plantea de tal maneara que se cuente con material de consulta

sobre el tema para toda persona interesada en el mismo.


CAPÍTULO III JUSTIFICACIÓN

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN

III.- JUSTIFICACIÓN Gran número de aprovechamientos de obras hidráulicas con fines de riego se resuelven utilizando como herramienta de proyecto el modelo de una presa derivadora, el cual por sus características de costo relativamente bajo y obtención de beneficios inmediatos o en un plazo prácticamente corto permite facilitar su construcción. Aunque aparentemente el diseño de una estructura de este tipo es relativamente sencillo es necesario establecer las bases mínimas para facilitar la labor del personal técnico relacionado con el proyecto de estos aprovechamientos, especialmente a los estudiantes que se inician en esta actividad. Este capítulo trata de cumplir dicho objetivo.

La principal función de una presa derivadora aplicada al riego es la de incrementar el tirante y encauzar las aguas a una obra de toma para su posterior distribución a la (s) zona (s) donde se le requiere. Las características son de acuerdo a las necesidades del lugar. III.1 PARTES ESENCIALES:

En una presa derivadora son notables tres partes que se consideran esenciales para cumplir con sus fines, sin embargo, en ocasiones también se tienen otras que se pueden considerar como complementarias y que dependen de las características o uso de la corriente:

III.1.1 Cortina o Dique Vertedor III.1.2 Bocatoma u obra de toma

III.1.3 Estructura de limpia III.1.4 Obras Complementarias III.1.1 CORTINA O DIQUE VERTEDOR:

Este dique forma un remanso en la corriente por lo tanto incrementa el tirante, además sirve para que la corriente o excedente de agua del río pase sobre dicho vertedor, por lo que su capacidad deberá ser igual al gasto de la avenida máxima registrada. III.1.1.1 CLASIFICACIÓN DE LAS CORTINAS:

En cuanto a la clasificación de las cortinas se toman varios puntos en consideración, siendo estos:

III.1.1.1.1 Por su eje en planta III.1.1.1.2 Materiales constitutivos III.1.1.1.3 Por el control en su cresta

III.1.1.1.1 POR SU EJE EN PLANTA:

Rectas o Curvas.

La línea del eje generalmente es recta, y normal a la corriente, pero en ocasiones es debido a la topografía o geología del cauce se adaptan ejes curvos y mixtos con el fin de disminuir las excavaciones y volúmenes de material en el cuerpo de la cortina o bien por cimentarla en los estratos geológicos más favorables del sitio. (ver fig III.1)

31

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.1.2 POR EL TIPO DE MATERIALES:

Flexibles, Rígidas, Mixtos. Las cortinas flexibles se forman con materiales naturales colocados en forma adecuada,

para aprovechar eficazmente las características físicas particulares de cada elemento, permitiendo que estas cortinas se adapten a las deformaciones naturales plásticas de esos elementos. El tipo de cortina flexible más empleada en derivadoras, es el llamado cortina "tipo indio" con: constituido fundamentalmente de una pantalla impermeable y enrocamientos (ver fig. III.2.

EjeRío

Eje

Río

Eje

Río

Eje

Río

Muro

Dique

( a )( b )

( c )( d )

( e )

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Fig. III.1 Algunos distintos tipos de presa de acuerdo a su eje en planta

Eje de la cortina


Dentellón de concreto

Enrocamiento

Filtro de grava

Fig. III.2 Sección típica de cortina “Tipo Indio”

Ocasionalmente se constituyen cortinas de madera y tablaestacado que quedan clasificadas dentro de las flexibles. Estas son poco usuales en nuestro medio y se emplean en obras de derivación provisionales.

Las cortinas rígidas se construyen con materiales pétreos unidos con algún- compuesto

cementante, mediante el cual, se produce casi una masa homogénea. Las cortinas rígidas más empleadas, son hechas de mampostería con mortero de cemento, concreto ciclópeo concreto simple y ocasionalmente de mampostería con morteros de cal y cantos.

Cuando en el gabinete se inicia el proyecto de una derivadora ya se tiene en mente la

clase de material a emplear en la cortina, y finalmente lo que ayudará en la elección definitiva, será el hecho de efectuar varios anteproyectos para comparar sus costos, considerando además y fundamentalmente la seguridad estructural y del funcionamiento hidráulico en todos los casos.

En la elección del material constructivo, fundamentalmente se deben considerar los

siguientes factores: - Materiales del lugar. - Perfil geológico del cauce. - Altura de la cortina. - Carga del vertedor. - Costos Los materiales de la región combinados con la geología del cauce, son decisivos para

elegir el tipo de cortina, porque influyen en la economía de la misma. .

33

La altura de la cortina en ocasiones es una limitante para el empleo de Presas "Tipo Indio", debido a que los taludes que se obtienen con cargas hidráulicas grandes dan por resultado volúmenes de materiales considerables que- hacen preferir a las cortinas rígidas y además se obtienen pasos de filtración largos y la posibilidad de filtraciones ya no considerables.


La altura de las cortinas de "tipo indio" que se han construido son de alrededor de los

cinco metros, medidos sobre el fondo del cauce original del río. Para las cortinas rígidas no hay alturas límites recomendados y su sección será la que

resulte del cálculo de su estabilidad. En varias ocasiones, debido a la subpresión resultante, en necesario agregar un respaldo de material arcilloso o de mampostería para abatir la robustez de la cortina.

En las figuras III.3 a III.12 se muestra esquemáticamente algunas secciones de cortinas

para derivadoras, con la finalidad de dar una idea de sus variantes.

Gaviones

Fig. III.3 Esquema de sección de presa derivadora

Estructura de madera

Tablaestacas Enrocamiento


34


Concreto simple

Tablaestacado metálico

Concreto ciclopeo

Cama de grava

Material permeable

Zampeado

S.L.A

Tabla estacado de madera

Drenes


Elev. cresta

Mampostería

Compuerta defondo

Enrocamiento semiacomodado

Fantasmas

Alcantarilla


35

Enrocamiento

Troncos

Zampeado

TablaestacadoPilotes



Cresta vertedor

Eje de la cortina

Material impermeable Dentellón de concreto Enrocamiento Grava


Fondo del cauce

Dentellón


Dentellón

TanqueZampeado

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Lloraderos

Tanque amortiguador

Dentellón


Zampeado

Cortina

Roca


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OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.1.3 POR EL CONTROL EN SU CRESTA III.1.1.1.3.1 Diques de cresta fija: Es aquel en el cual la altura de la cresta vertedora es constante, es decir, que la curva de remanso para cada caudal tendrá una altura determinada, estos son generalmente de poca altura, construidos como una obstrucción completa transversal al río, provocando que toda la corriente pase sobre él. En la elección del perfil transversal de los diques vertedores de cresta fija deben tomarse en cuenta los principios siguientes:

1. Deben resistir las fuerzas estáticas y dinámicas sobre él 2. Se deben proteger contra filtraciones y en caso de que éstas se produzcan deben ser de

poca magnitud, con velocidades inferiores a las de arrastre de los materiales que forman la base del dique vertedor

3. Conviene darle una forma tal, que el coeficiente de gasto sea máximo con el fin de que el gasto por unidad de longitud sea mayor, con lo que se puede disminuir la longitud de la cresta

4. Se deben proteger las partes de aguas abajo del dique de tal forma y extensión que no se produzca socavación

III.1.1.1.3.2 Diques de cresta móvil: Son aquellos en los que se emplean mecanismos, (compuertas deslizantes o radiales (ver fig III.13)) se usan cuando:

1. Se tengan grandes caudales de escurrimiento en avenida y no se disponga de un ancho suficiente en el río para colocar un dique de cresta fija

2. Se requiera a la máxima elevación la cresta vertedora, siendo posible además dar paso al gasto total de escurrimiento en la época de avenidas

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3. La corriente arrastre mucho azolve siendo insuficientes los desarenadores para mantener limpio el canal de entrada y se tenga que dar paso a la avenida completa como para que arrastre todos los sedimentos depositados


E

A

F

B

D

C

B

G

H

A Cubierta de la compuertaB Brazos de la compuertaC ChumaceraD Ménsula de apoyoE ObturadoresF MalacateG Cresta vertedoraH Sello inferior

Fig. III.13 Compuerta radial

La sección típica de las cortinas rígidas es de forma trapecial con cimacio en la corona como lo indica esquemáticamente la Fig. III.14

La geometría del cimacio se aproxima a la forma parabólica de un chorro de agua con

caída libre, El objeto de diseñar así, a los vertedores en general, es no propiciar presiones bajas entre la lámina vertiente y el paramento de aguas abajo, con lo cual se evitan fenómenos de cavitación o corrosión y además cierto tipo de esfuerzos en la cortina, como se señalará más

39

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN adelante. Con el cimacio se logra aumentar la eficiencia de descarga del vertedor y con ello se consigue acortar la longitud a la carga del mismo.

Los taludes de aguas abajo y aguas arriba de la cortina se fijan al verificar la estabilidad

de la misma.

CimacioTangencia

EjeElev. Corona

Fig. III.14 Sección típica de cortina vertedora rígida

III.1.1.2 ESTABILIDAD DE LAS CORTINAS RÍGIDAS III.1.1.2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN LAS CORTINAS RÍGIDAS

El diseño de un dique vertedor dependerá de los materiales usados y de las condiciones

locales de cada caso, pero las fuerzas dinámicas y estáticas son comunes en toda clase de vertedores de cresta fija. El dique deberá ser estable cuando se encuentre sujeto a las siguientes fuerzas dinámicas y estáticas (ver fig III.15):

III.1.1.2.1.1 Peso propio

III.1.1.2.1.2 Presión hidrostática III.1.1.2.1.3 Subpresión III.1.1.2.1.4 Empuje de sedimentos o azolves III.1.1.2.1.5 Fuerzas sísmicas III.1.1.2.1.6 Peso del agua sobre el paramento de aguas abajo III.1.1.2.1.7 Presión negativa entre el manto de agua y el paramento III.1.1.2.1.8 Rozamiento del agua con el paramento de descarga III.1.1.2.1.9 Choque de olas y cuerpos flotantes III.1.1.2.1.10 Presión de hielo 40


III.1.1.2.1.11 Reacción del terreno

H

HT

h

htf

Nivel del terrenonatural o azolveinicial

Etf

X htfEtf

Ea

Ea

X

P2

P

A

5

4

3cbM M

Subpresión con paso defiltración a partir de A filtración a partir de 4

Subpresión con paso de

Zona con posibilidad depresiones negativas

Peso de la láminavertiente

Eje de la cortina

021P1

N. A. M. E.

aElev. Cresta

Nivel del azolvepost construcción

Fig. III.15 Fuerzas en la cortina vertedora

III.1.1.2.1.1 PESO PROPIO DEL DIQUE VERTEDOR (P)

El peso propio se calculará de acuerdo con el material del banco empleado, pero para fines de anteproyectos, se pueden considerar los siguientes valores; que son conservadores.

41

MATERIAL. PESO VOLUMÉTRICO EN Kg/m3

Mampostería 2,000 Concreto simple 2,200 Concreto ciclópeo 2,200 Concreto 2, 000 Enrocamiento acomodado 1,800 Enrocamiento a volteo 1,800 Arcilla compactada 1,800 Arena y grava 1,600


Tabla III.1 Pesos Volumétricos II.1.1.2.1.2 PRESIÓN HIDROSTÁTICA (Ea)

Se considerará como presión hidrostática (Ea), a la presión del agua que actúa sobre el paramento de aguas arriba de la cortina.

Cuando el paramento de arriba no sea vertical el empuje del agua que obra normal a ese paramento se descompone para efectos de cálculo en un empuje horizontal y en una componente vertical que viene siendo el peso de la cuña de agua. Es claro que el peso del agua se elimina cuando se tiene un talud vertical.

Si la condición de estabilidad de la cortina es derramando el gasto máximo de diseño, el iagrama de presiones deberá ser el 1-2-3-4, cuyo valor del empuje es: d

( )HHPPEa T −+

=2

21

HTWPHWP ** 21 ==

El punto de aplicación ( )X de este empuje se localiza en el centroide del diagrama trapecial, es decir:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++

=21

2123 PP

PPhX

Cuando el nivel del agua se considera hasta la cresta vertedora, el diagrama que debe

tomarse será el, a b c a, cuyo valor del empuje es:

2* 2hWEa = y ( ) hX *31=

El peso del agua sobre el paramento aguas arriba cuando éste es inclinado favorece a la estabilidad de la cortina y su valor será el área 0 – 2 – 4, multiplicada por el peso específico del agua (1000 Kg/m3) y aplicada su resultante en el centro de gravedad de esa figura. III.1.1.2.1.3 SUBPRESIÓN (S)

Es una presión debida al agua de filtración que actúa en la cimentación de la cortina con sentido de abajo hacia arriba, y por lo tanto, es desfavorable a la estabilidad de la cortina. Debido a la infiltración del agua entre el dique vertedor y el terreno se origina una presión de agua en dirección vertical de abajo hacia arriba, a la resultante de estas presiones se le llama subpresión.

42


Puesto que el agua no tiene acceso libre, sino que pasa entre los intersticios del material de la cimentación se le afecta de un coeficiente llamado coeficiente de reducción de la subpresión (K). Para determinar su valor en la cimentación de las presas derivadoras, se debe de estudiar primeramente lo que se llama “longitud de paso de filtración”. La longitud (L) que se ha llamado Longitud de paso de filtración está en función de la carga (H) o de la carga (H’) (ver fig III.16) y de un coeficiente (K) cuyo valor depende de la clase de terreno que forma el cauce. En terreno firme más o menos impermeable hay una cierta adherencia entre la estructura y el terreno y difícilmente el agua penetra por el punto (A) y sale por el punto (B) (ver fig III.16) pero en terrenos constituidos de arena, grava y cantos rodados, el agua tiende a seguir el contorno inferior de la estructura, es decir, de (A) hacia (B), para evitar el peligro de socavación o de arrastre del material se han encontrado diferentes valores para el coeficiente (K) los que según BLIGH son los siguientes:

Valores de K Tipo de terreno recomendados Limo fino y Arena 18 Arena Fina 15 Arena Grano Áspero 12 Arena, Grava 9 Arena, Grava, Canto rodado 5

Tabla III.2 Valores de K para varios tipos de terreno

43

H'H

A

DentellónL

Tanque

B

Zampeado

Fig. III.16 Longitud de paso de filtración

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.2.1.4 EMPUJE DE SEDIMENTOS O AZOLVES (Et)

Debido a los azolves y acarreos en general que deposita la corriente de aguas arriba de la cortina, se tendrá una presión sobre el paramento correspondiente que deberá tomarse en cuenta. Aún cuando existe el canal desarenador, no es posible evitar en la mayoría de los casos el depósito de esos materiales, sobre todo el terreno del cauce y también en el margen que no tenga desarenador. El empuje de estos materiales se valúa en forma aproximada empleando la fórmula de Rankine:

Et = 0.5 γ ht2 tan2 ( 45 - φ/2 )

Donde : Et = Empuje activo de tierras o sedimentos en Kg ht = Espesor de tierra o sedimentos, en m. φ = Angulo formado por la horizontal y el talud natural de los acarreos.

Para la grava φ = 34º aproximadamente. γ = Peso del material sumergido en el agua. Este peso γ se calcula con la siguiente expresión:

γ = γ´ - w ( 1-K ) . Donde : γ´ = Peso del material fuera del agua o seco en Kg/cm3 w = Peso específico del agua 1,000 Kg/cm3 K = Porcentaje de vacíos del material ( K = 0.30 )

Ahora bien, el depósito de acarreos sobre el paramento de aguas arriba de la cortina, puede formarse en una sola temporada de lluvias, o bien por las características del río, dicho depósito, tarda en algún tiempo en formarse.

Por otra parte los azolves acumulados llegan a tener cierto grado de impermeabilidad, lo cual permite que el recorrido de infiltración, después de formarse el depósito, aumente, comparado con el recorrido inicial que se calculó considerando el terreno natural (ver fig. III.15). Al aumentarse el recorrido de infiltración, disminuye en cierto grado el valor de la subpresión, de acuerdo a la teoría de Blake, y esto es favorable a la estabilidad de la cortina.

Pero por otra parte, también se tendrá un empuje horizontal que va en contra de la estabilidad de la cortina (ver fig. III.15). Por lo anterior al analizar o verificar la estabilidad de la cortina, se debe de considerar:

44


a) Subpresión, según paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves.

b) Subpresión, según el paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves y empuje de sedimentos.

En la mayoría de los casos suele ser la primera que se indica (a). Es frecuente no contar con datos relativos a las características de los depósitos, como

son: peso volumétrico, ángulo de reposo, etc. Por lo que en el avalúo de las presiones que originan, se ha adoptado para efectos de presión un peso volumétrico de 1360 Kg/m3 (85 lb/pie3) y para componente vertical o peso de estos azolves un valor de 1900 Kg/m3 (120 lb/pie3), valores recomendados por el Bureau Reclamation de E.E.U.U.

III.1.1.2.1.5 FUERZAS SÍSMICAS

Como en la mayoría de los proyectos las cortinas suelen ser de poca altura y relativamente de poco peso la fuerza debida de los temblores es despreciable. Cuando las cortinas llegan a tener altura considerable, el efecto de los temblores deberá tratarse como las cortinas altas para presas de almacenamiento, es decir, los terremotos comunican aceleraciones de las presas que pueden aumentar las presiones del agua y de limo sobre ellas, y los esfuerzos dentro de las mismas.

Para la condición del vaso lleno esta será un choque sobre la cimentación en la dirección de aguas arriba y el choque de la cimentación hacia abajo. El primero aumenta la carga hidráulica y produce un momento de volteo debido a la inercia del concreto. El segundo, en efecto, produce una disminución del peso del concreto y del agua arriba del paramento inclinado, reduciendo de esta manera la estabilidad de la estructura.

Con el objeto de determinar las fuerzas totales debidas a un terremoto, es necesario determinar su intensidad o aceleración, que generalmente se expresa con la relación a la aceleración debida a la gravedad. III.1.1.2.1.6 PESO DEL AGUA SOBRE EL PARAMENTO DE AGUAS ABAJO

Este peso, es relativamente pequeño y en general suele despreciarse, porque además, actúa a favor de la estabilidad de la cortina.

45


Su valor, teóricamente se anula, cuando se diseña la cortina con un cimacio Creager o parabólico ya que en estas condiciones, teóricamente la lámina vertiente no ejerce ninguna presión sobre la cortina, puesto que el perfil del cimacio se aproxima a la trayectoria del chorro. III.1.1.2.1.7 PRESIÓN NEGATIVA ENTRE EL MANTO DE AGUA Y EL PARAMENTO

Se presenta cuando el manto del agua que se despega del paramento de aguas abajo y no se haya previsto una buena aireación de dicho manto.

Esta presión es debida al vacío que se produce bajo la lámina vertiente, cuando el aire en sitio es arrastrado por la corriente y cuando su magnitud es despreciable en la mayoría de los casos; en otros su valor puede ser tal que ocurran fenómenos de cavitación, corroyendo el paramento de la cortina.

En vez de considerar el valor de esta presión en la revisión estructural de la cortina, lo

viable es evitar que tengan en el sitio señalado presiones negativas y obviamente esto se logra construyendo un perfil parabólico adecuado. En algunos proyectos de cimacios por razones económicas el perfil se diseña con la carga hidráulica del vertedor correspondiente a una avenida menor, más frecuente que la avenida máxima de proyecto, por considerar que esta es eventual y de poca duración. En estos casos se recomienda que la carga de diseño no sea menor del 75% de la carga del vertedor para la avenida máxima; con el fin de no propiciar el despegue de la lámina vertiente. III.1.1.2.1.8 ROZAMIENTO DEL AGUA CON EL PARAMENTO DE DESCARGA

Su valor es pequeño y despreciable, prácticamente se hace nulo por la forma que se adopta para el perfil del dique vertedor. II.1.1.2.1.9 CHOQUE DE OLAS Y CUERPOS FLOTANTES

Debido al poco “fetch” que se tiene en algunas presas y la poca altura; los fenómenos de oleaje son pequeños y la acción dinámica de las olas no se toman en cuenta. Tampoco el choque de los cuerpos flotantes. III.1.1.2.1.10 PRESIÓN DE HIELO

46La presión del hielo es producida al dilatarse la lámina de hielo combinada con el arrastre

del viento.


Es difícil valuar esta presión, por que es función de muchos factores y así se dice que su magnitud depende del espesor de la lámina congelada, de la rapidez con la que se eleva la temperatura, fluctuaciones del nivel del agua, velocidad del viento, así como la inclinación del paramento aguas arriba de la cortina. En nuestro país no se consideran esta fuerza por que las heladas no son tan intensas como para congelar el agua en las derivadoras. III.1.1.2.1.11 REACCIÓN DEL TERRENO

Para que exista la estabilidad de la cortina, bajo cualquier condición de fuerzas horizontales y verticales, que actúan en ella se deberá oponer otra producida por la relación del terreno, que deberá ser igual y contraria a la resultante de la combinación de todas las demás cargas que actúen sobre la cortina. El terreno deberá tener capacidad de carga mayor a la solicitada. III.1.1.2.2 RECORRIDO DE FILTRACIÓN La mayoría de nuestras cortinas tanto rígidas como flexibles, corresponden a cortinas sobre cimentación permeable, esto es debido a que se desplantan a poca profundidad del cauce y por lo general en el lecho de los ríos se encuentran materiales como; grava, boleos, y cantos rodados, que son bastante permeables. Al tener en la cimentación de las cortinas, materiales permeables, el agua filtrada produce una presión hacia arriba o subpresión que obra en contra de la estabilidad de la cortina. La subpresión y el peso propio de las cortinas se combinan dando lugar a un efecto de flotación y por esto a este tipo de cortinas, suele llamárseles flotantes. Las filtraciones de una cortina dependen fundamentalmente de la carga hidráulica que las origina y de las características físicas de los materiales, por donde el agua efectúa el recorrido de filtración. Cuando la velocidad del agua filtrada llega a ser suficiente como para lavar o arrastrar los materiales de cimentación, se origina lo que se llama un fenómeno de tubificación, el cual produce asentamientos, disloques, etc., y en general afecta seriamente la estabilidad de la estructura. Por lo anterior las cortinas sobre cimentación permeable deberán diseñarse con recorrido de filtración suficientes a fin de que el agua bajo la estructura tenga siempre velocidades para evitar cualquier posibilidad de tubificación.

47

Aunque se aceptan filtraciones en las presas derivadoras, no es por demás recordar que su magnitud en algunos proyectos, puede ser incrementada notablemente, una vez que se haya construido la cortina, puesto que la carga hidráulica aumenta al represarse el agua y por ello en algunas ocasiones, será necesario verificar que el gasto de filtración no afecte al que se pretende derivar. Esto será más importante a medida que la diferencia entre el gasto de derivación y el gasto de la corriente, sea menor.

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN El volumen de filtración se calcula empleando la fórmula que expresa la ley de Darcy y que es:

AiKQ = Siendo: Q = Gasto de filtración en m3/seg. K = Coeficiente de permeabilidad para la cimentación es decir; gasto unitario debido a la pendiente hidráulica también unitaria; en cm/seg.

i = Pendiente hidráulica ==LH

filtracióndecLongcahidrostátiaC

.Re.arg

A = Área bruta de la cimentación a través de la cual se produce la filtración en cm2

Para aumentar la longitud de filtración en las cortinas se emplean dentellones, ya sea de concreto o de arcilla, delantales y tapetes de arcilla compactada o mampostería. (ver Fig. III.17)

48


Delantal adicional

Respaldo de mamposteríao concreto

Material de resistenciaMedia

Respaldo de arcillacompactada

Trinchera


Prolongación de dentellón

Fig. III.17 Forma de aumentar el paso de filtración en cortinas rígidas Para el análisis del paso de filtración y subpresiones en las presas derivadoras, se han adoptado dos procedimientos empíricos que llevan el nombre de sus autores y son; el método de E. W. Lane, y el de Blight. Estos dos procedimientos han sido empleados en varios proyectos y los resultados han sido satisfactorios III.1.1.2.3 CONDICIONES DE ESTABILIDAD

49

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN El análisis de estabilidad de una cortina rígida de Presa Derivadora, de poca altura, se concreta al cálculo de un muro de retención considerando las fuerzas que se han descrito anteriormente y verificando que se cumplan los tres requisitos fundamentales de estabilidad. Cuando se tengan cortinas rígidas altas en Presas Derivadoras, el procedimiento de cálculo que se emplee, será el mismo que se utiliza en las cortinas de Presas de Almacenamiento y que ya se tiene establecido. III.1.1.2.3.1 VOLTEAMIENTO Teóricamente se evita, pasando la resultante dentro de la base; sin embargo se aconseja que caiga dentro del tercio medio de esa o bien que el cociente de dividir la suma de los momentos de las fuerzas verticales ( )MFVΣ entre la suma de los momentos de las fuerzas horizontales sea igual o mayor que el coeficiente de seguridad que se adopte. Generalmente este coeficiente es de 1.5

( MFHΣ )

( )( ) 5.1≥

ΣΣ

H

V

FMFM

III.1.1.2.3.2 DESLIZAMIENTO Se evitará esta falla cuando el coeficiente de fricción de los materiales en contacto, sea mayor que el cociente de dividir las fuerzas horizontales entre las verticales que actúan en la estructura, y despreciando la resistencia al esfuerzo cortante de los materiales en el plano de deslizamiento, es decir:

( )( ) µ≥

ΣΣ

V

H

FF

Siendo “m”el coeficiente de fricción. Si se considera la resistencia al esfuerzo cortante, la condición que se deberá cumplir para evitar esta falla; está dada por la siguiente expresión:

( )( ) KF

AsrF

H

V ≥Σ

+Σ µ

Siendo: S(FV) = Suma de las fuerzas verticales S(FH) = Suma de las fuerzas horizontales m = Coeficiente de fricción r = Relación del esfuerzo cortante medio al máximo en el plano de deslizamiento

50

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN s = Resistencia unitaria al esfuerzo cortante del material A = Área de la sección que se esté analizando K = Factor de seguridad cuyo valor se recomienda que esté comprendido entre 4 y 5 En la práctica se acostumbra que:

( )( ) 5.22 óFF

H

V ≥ΣΣ

Siendo; 2 ó 2.5, el coeficiente de seguridad al deslizamiento. III.1.1.2.3.3 ESFUERZOS EN LOS MATERIALES Se puede presentar una falla en los materiales cuando los esfuerzos a que estén trabajando, sean mayores a los especificados como admisibles para ellos. Por lo tanto, esta falla se evitará verificando que en cualquier sección de la estructura, se tengan esfuerzos menores que los permisibles. Particularmente en el plano de desplante de la estructura, se deberán tener esfuerzos de compresión solamente, ya que el terreno no admite tensiones. Esto se consigue haciendo que la resultante de las cargas pase por el tercio medio de la base de sustentación. Recuérdese que los esfuerzos máximos están dados por las siguientes expresiones:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

ΣΣ

=he

bhF

f Vmáx

61

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

ΣΣ

=he

bhF

f Vmín

61

Las literales representan: f = Esfuerzo del material en Kg/cm2

A = Área de la sección considerada de ancho unitario; en cm2

e = Excentricidad de la resultante, en cm b = Ancho unitario de la sección ( 1 metro ) h = Longitud de la sección analizada en cm Observando los diagramas de esfuerzos, que se pueden presentar en la Fig. III.18, se ve que el diagrama (a) indica únicamente esfuerzos de compresión, es decir que el esfuerzo de tensión, originado por el momento, fue menor que la compresión producida por las cargas verticales. En el diagrama (b), los esfuerzos de compresión y tensión resultaron ser iguales y finalmente en el diagrama (c) los esfuerzos originados por el momento flexionante resultan ser mayores que los esfuerzos debidos a las cargas verticales.

51


FV

FH

R

FV

FHR

FV

FH

R

( a ) ( b ) ( c )

PA P

A

AFv

IxMx

AP

IxMx+

- AFv

IxMx-

AFv

IxMx+

Fig. III.18 Diagramas de esfuerzos posibles en un muro de retención De lo anterior reconcluye que para que tengan, esfuerzos de compresión únicamente, como límite se deberá tener:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

ΣΣ

==he

bhF

f Vmín

610

luego:

bhF

bhFe VV Σ

=Σ

2

6

por lo tanto:

6he =

Es decir que, para que se tengan únicamente esfuerzos de compresión, la resultante del sistema de fuerzas, deberá pasar cuando más a la sexta parte de la base, en otras palabras, el punto de aplicación de la resultante deberá estar dentro del tercio medio de la base. En ocasiones en las cortinas de mampostería, resultan esfuerzos de tensión lo cual teóricamente no se deben permitir, no obstante por razones prácticas, se admiten esas tensiones, siempre y cuando no rebasen un valor igual al diez por ciento del esfuerzo de compresión de dichas mamposterías. III.1.1.3 ESTABILIDAD DE LAS CORTINAS DE ENROCAMIENTO TIPO INDIO Las cortinas llamadas de “Tipo Indio”, cuya sección típica lo muestra la Fig. III.19, se constituye fundamentalmente de un elemento impermeabilizante formado por un macizo o dentellón, que puede ser de mampostería o concreto simple (de preferencia de este último material), además de un respaldo de material compactado sirve también para aumentar la longitud del paso de filtración de estas cortinas. La estabilidad de la cortina se consigue principalmente con el enrocamiento acomodado o semiacomodado de aguas abajo del dentellón (con talud exterior muy tendido). Este enrocamiento se refuerza con una cuadrícula

52

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN superficial de concreto simple cuya profundidad de los dentellones son de 50 centímetros a un metro.

Enrocamiento

Dentellón de concreto

Eje de la cortina

Material impermeable Filtro de grava

Fig. III.19 Sección típica de cortina, presa derivadora “Tipo Indio”

El concreto del enrocamiento y el material de cimentación se hace mediante un filtro de grava o rezaga de unos 50 centímetros de espesor, que descarga en una trinchera de enrocamiento localizada al final del paramento de aguas debajo de la cortina y cuyo objeto es resguardarla de la socavación que puede presentarse en el sitio. El diseño de estas cortinas se hace en base a datos empíricos y prácticos, pues en la mayoría de los casos no siempre es posible efectuar un estudio minucioso de mecánica de suelos que se requeriría en un diseño estricto. Es probable que las cortinas que se han construido tengan coeficientes de seguridad muy favorables. El rango de altura de las cortinas construidas con datos de la experiencia y que por cierto, su funcionamiento ha sido satisfactorio, varía de un metro a cinco metros. En estas cortinas se aconsejan taludes muy tendidos y se recetan generalmente al de aguas abajo de 10 : 1 hasta de 14 : 1 y el de aguas arriba de 3 : 1 a 8 : 1, dependiendo de las características del material a emplear y del criterio del proyectista de acuerdo con lo observado en otras presas ya construidas, así como de la bondad notoria de los materiales que se emplearán en su fabricación. Cuando el caso lo amerite o se tenga el estudio de los materiales que se vayan a emplear en el cuerpo de la cortina y los que se encuentran en el sitio de construcción; se pueden diseñar estas cortinas con el método ideado por el investigador Blight, el cual se basa en la teoría del recorrido de filtración en medios permeables. El método es el siguiente: De acuerdo con Blight el recorrido de filtración en una cortina maciza, como la indicada en la figura III.20 bajo una carga “H” deberá ser: a b c d, ya que este investigador no hace distinción entre los efectos de las longitudes horizontales y verticales. Esto se expresa en la siguiente forma:

dcbaCHL == 53


HCortina maciza

a

b

d

c

Fig. III.20 Croquis del recorrido de filtración

Ahora bien, considerando una cortina hecha de material permeable, como la de enrocamiento, en la cual se considera que los vacíos dentro de su cuerpo están llenos de agua y comunicados entre sí, (ver Fig. III.21). Se estima que en un block como el M N Q P, el recorrido de filtración será la longitud: NP = L y la carga correspondiente a esta longitud será: h = MN-QP.

M Q

N P

h

L

Fig. III.21 Cortina de enrocamiento

También obsérvese que: LhTan =α suponiendo la superficie del agua que escurre, paralela al talud del paramento. Blight establece fundamentalmente que el suelo bajo el enrocamiento es estable, si la pendiente del paramento de la cortina de aguas abajo es igual o menor que la recíproca del coeficiente de dicho material, es decir cuando:

CTan 1

=α o bien que: LhTan =α ; puesto que:

hLC =

MATERIAL VALORES DE “C” Limo y arena muy fina 18 Arena fina 15 Arena de grano grueso 12 Grava y arena 9 Tierra o cascajo con arena y grava 4 a 6 54


Tabla. III.3 Relación de carga de filtración (Criterio de Blight) De la observación del valor recomendado para la tangente del ángulo de inclinación del paramento puede decirse que, en general el cumplimiento de esta condición se traduce en proporcionar un talud que resulta ser muy tendido, y en ocasiones esto motiva un volumen de enrocamiento tal, que hace antieconómica a la cortina, sobre todo tratándose de coeficientes de permeabilidad grandes y cargas considerables, pues recuérdese que L = CH Por lo anterior Blight, propone la solución que enseguida se indica: Considérese la figura III.22 que representa a una cortina de enrocamiento con un vertedor constituido de un macizo independiente o dentellón. La superficie libre del agua se encuentra a la elevación de la corona.

(C)(B)

F1E1

F

Dentellón

c1

d1

(A)b1

a1

E

E

H

Fig. III.22 Cortina de enrocamiento con dentellones La longitud de paso de filtración para evitar tubificación bajo el dentellón es,

1,,,, Ldcba = y la pérdida de carga será:

Cdcba

CLh ,,,,1

1 ==

Mediante el valor de h1 se puede conocer el punto “E”, que indica el nivel del agua, aguas abajo del muro o dentellón. Trazando por el punto “E” la línea EF con pendiente αTanC =1 , se estará garantizando la estabilidad del suelo bajo el enrocamiento según lo escrito anteriormente. Cuando al prolongar la línea EF, ésta se sitúe arriba del perfil del paramento del enrocamiento ya no se estará asegurando el equilibrio del suelo de cimentación y por lo tanto, es necesario construir otro dentellón en el punto donde la línea EF trazada con la pendiente de “seguridad” (1/C) corte a la línea del talud.

55

El procedimiento usado para localizar el primer dentellón, se aplica para localizar el segundo y así sucesivamente hasta localizar los necesarios, es decir: Considérese que h2 sea la pérdida de carga en el dentellón E1.

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Trazando la línea E1F1 con la inclinación 1/C hasta cortar la superficie del enrocamiento en F1 se encontrará la localización del dentellón E2. Por razones económicas y para aumentar el paso de filtración, se construye un respaldo de arcilla compactada como lo indica la figura III.23

Arcilla compactada

a

b c

d

f

e

F

h= a b c d e f

h

Fig. III.23 Cortina de enrocamiento con respaldo de arcilla Con esto se logra disminuir el número de dentellones y consecuentemente acortar la longitud transversal de la cortina. Para estos casos el valor de la pérdida de carga del dentellón principal será de acuerdo con la figura III.23:

Cfedcba

CLh ==1

Obsérvese que en este método se considera se considera que la superficie libre del agua de descarga sobre el vertedor es más o menos paralela al paramento del enrocamiento aguas abajo, y que se aplica cuando por razones de economía se desee que el talud del enrocamiento sea menos tendido que el que resultara con el trazo de seguridad de pendiente, de la línea EF. III.1.1.3.1 PIEDRAS PARA ENROCAMIENTO Para verificar el tamaño mínimo aproximado de las piedras que deberán formar el enrocamiento de una cortina de este tipo, puede hacerse un estudio en base a la fórmula del investigador S.B. Isbach, quien efectuó un análisis sobre el cierre de cauces con enrocamientos. Esta fórmula también puede utilizarse en el cálculo de los zampeados secos de roca al final de otras estructuras por ejemplo, el canal desarenador. La fórmula de Isbach, determina la velocidad crítica, máxima y mínima, de una corriente sobre un cuerpo y cuyas definiciones se dan enseguida. Velocidad crítica mínima, es aquella que es capaz de empezar a modificar la trayectoria vertical, de un cuerpo, que se deja caer para atravesar una corriente de agua, pero sin que sea capaz de modificar el sitio de caída de dicho cuerpo. La velocidad crítica máxima es aquella que

56

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN después de modificar la trayectoria vertical del cuerpo es capaz de empezar a rodarlo, por el fondo del cauce. Fórmula:

Dww

gKcritv aP −= 2..

Siendo: K = Coeficiente para piedras esféricas. Se considera igual 0.86 y 1.20 para la velocidad crítica mínima y máxima de arrastre, respectivamente. g = Aceleración de la gravedad igual a 9.81 m/seg2

wP = Peso volumétrico del material que forman las piedras en Kg/m3

wa = Peso volumétrico del agua en Kg/m3

D = Diámetro de una esfera equivalente a la piedra.

Por otro lado; el volumen (V) de la esfera vale 6

3DV π= y su peso WP valdrá:

PPP wDwVW6

3π==

Es útil en este estudio la construcción de una gráfica en la cual se anotan como abscisas el diámetro de las piedras y como ordenadas las velocidades de la corriente. Pueden trazarse así curvas de velocidades para varios valores de wP , es decir para diferentes materiales (ver Fig. III.24)

Diametro de las piedras

Velo

cida

des

v criti

ca pa

ra W

p1

v criti

ca para W

p2

v critica para W p3

Fig. III.24 Curvas de velocidades III.1.1.4 HIDRÁULICA DE LAS CORTINAS III.1.1.4.1 DETERMINACIÓN DE LA ELEVACIÓN O COTA

DE LA CRESTA DEL DIQUE VERTEDOR Puesto que la Presa Derivadora sirve para aumentar el tirante de agua de la fuente de aprovechamiento para derivar un determinado gasto, la elevación de la cresta vertedora dependerá de las necesidades de carga hidráulica que se requieren para operar la bocatoma.

57

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN En la Fig. III.25 se observa el caso típico de la disposición de la cortina, bocatoma y canal principal de conducción.

B

L

h

a

P

PantallaCorona del muro

N.A.M.E.

c Cresta

Compuerta radial

Plantilla del canaldesarenador

Cortina

Elev. P

Perfil del terrenoEje del canal

Fig. III.25 Disposición típico de una derivación

Como puede observarse, la elevación "C" de la cresta vertedora es igual a la elevación correspondiente a la plantilla del canal en su inicio (elevación P) más el tirante (d) del mismo canal, más la carga hidráulica ( h ) del oficio de la toma es decir: Elev. C = Elev P + d + h La elevación de la plantilla del canal principal es un dato que de antemano se cuenta con él, al iniciar un diseño.

Esta elevación se fija fundamentalmente considerando la elevación de la zona de los terrenos que se van a regar y de la carga que se va a perder entre dicha zona y el sitio de la derivación. Se pueden presentar los siguientes casos:

a) Que la conducción sea por gravedad, por lo tanto se tomará en cuenta el desnivel existente entre el principio y el final de la conducción según la pendiente que se tenga en el canal y las pérdidas de carga existentes en las estructuras de la misma conducción

Se parte de la elevación al final de la conducción conocida como (B) (ver fig III.26)

enseguida se suma el desnivel en la conducción que llamaremos (Hd) y se encuentra la elevación correspondiente al umbral de la obra de toma que llamaremos elevación (A), en vista de lo anterior se tendrá que la elevación (A) es igual a la elevación (B) más (Hd), es decir:

)()(. HdBElevAElev +=

58


La elevación de la cresta será la elevación (A) mas (d) mas h, el tirante (d) se conoce puesto que deben calcularse las propiedades hidráulicas del canal de conducción.

La carga (h) es la carga necesaria para que el gasto (Q) que es el gasto por

derivar pase a través de la compuerta o compuertas cuya área total (A); de acuerdo con la fórmula general de orificios es:

9.06.02 aCghCAQ =∴=

b) En este caso no se considera conducción, sino simplemente las características del lugar

en el sitio de la presa, se toma como punto de partida la elevación de la plantilla del canal desarenador que es la elevación que coincide con la parte baja del cauce del río.

Se tendrá que la elevación en (A) es igual a la elevación en (C) mas (e); siendo (e)

una distancia vertical que se deja con el objeto de que el azolve depositado en el canal desarenador no penetre al canal de conducción.

Generalmente se especifica el valor de (e) con un valor mínimo de 60 cm

A'

RíoA

Conducción

A = Sitios probables parala ubicación de lapresa derivadora Zona de

Riego

B

Fig. III.26 Ubicaciones posibles de una presa derivadora III.1.1.4.1.1 TIRANTE DEL CANAL DE CONDUCCIÓN

El tirante normal del canal de conducción se adopta considerando la topografía y geología en donde se ubique; por ejemplo no será la misma sección de un canal alojado en roca que la de otro en tierra y además revestido.

59


El canal alojado en roca podrá tener sus paredes menos inclinadas y velocidad más fuerte, en cambio él otro, el talud de sus paredes será más tendido, su pendiente será más suave etc. , y por lo tanto los tirantes en uno y otro caso variarán.

Por otro lado en los canales alojados en roca se procura disminuir los volúmenes de excavación procurando reducir la sección y localizándola en balcón.

Canal en roca

t = 0.25 : 1 dt = 1.5 : 1

t = 1.5 : 1 t = 1.5 : 1

d Canal en tierra

La Fig. III.27 Secciones de canal alojado en diferente material para el mismo gasto

La Fig. III.27 muestra el mismo gasto, alojado esquemáticamente en la sección de dos

canales para diferentes materiales.

Es frecuente que para fijar el tirante del canal cerca de la bocatoma, además de lo anterior, se combina con las dimensiones de las compuertas de extracción, procurando que los orificios de dichas compuertas funcionen ahogados.

Cuando se requiera que la sección del canal en su inicio sea diferente al elegido en el trazo; por ejemplo, rectangular en lugar de trapecial será necesario diseñar una transición para unir las dos secciones mediante el estudio del funcionamiento hidráulico del conjunto.

El tirante normal, de un canal se calcula, mediante la expresión de continuidad y alguna fórmula de la velocidad para canales de algún investigador, por ejemplo la de Manning, que es la más empleada y así se tiene que: La expresión de la continuidad es: VAQ = ...................................... (1) Y la fórmula de la velocidad según Manning:

3/22/11 rsn

V = .................................................................................. (2)

Siendo: V = Velocidad del agua en el canal, en m/seg. n = Coeficiente de rugosidad r = Radio hidráulico en m. s = Pendiente hidráulica. Sustituyendo (2) en (1) Se tiene: 60


2/13/2 srnAQ =

Agrupando los términos conocidos en el primer miembro para un caso dado se tiene:

3/22/1 * rA

sQn

=

Sí:

3/22/1 * rAK

sQn

== ...................................………………………… (3)

El tirante normal se encuentra verificando, la igualdad (3) mediante tanteos: es decir, se

supone un valor para “d ” .

Se calcula el área hidráulica A, de acuerdo con la sección del canal.

Sección rectangular Sección trapecial bdA = 2tdbdA +=

dbP 2+= 212 tdbP ++=

PAr = tdbT 2+=

d

S. L. A.

b

T

S. L. A.

d

b

t t

Sección rectangular Sección trapecial

La Fig. III.28 Secciones de canales más empleadas

A continuación se calcula el perímetro mojado "P" y después el radio hidráulico "r " y se eleva este valor a la potencia de (2/3).

Cuando se cumpla la igualdad KrA =3/2* , el tirante “d” supuesto será el correcto.

Si no sucediera así, se supone otro valor para d repitiendo la misma secuela hasta verificar dicha igualdad y consecuentemente encontrar el tirante normal correcto. 61

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.4.2 CARACTERÍSTICAS DEL VERTEDOR

La fórmula comúnmente empleada para definir las características hidráulicas de la cortina vertedora es la de Francis en la cual no se consideran el efecto de la velocidad de llegada ni las contracciones laterales del vertedor. Esto se debe a que el agua antes de verter, es retenida por el vaso que se forma (grande o pequeño), al elevarse el tirante y por lo tanto puede considerarse que el agua tiene una velocidad nula. Las contracciones laterales se eliminan fácilmente, limitando al vertedor en sus extremos, con paredes verticales y perpendiculares a su cresta, de suficiente altura y longitud. La fórmula es

23

CLHQ = Siendo: Q = Gasto del vertedor en m3/seg. C = Coeficiente de descarga. L = Longitud efectiva de la cresta en m. H = Carga sobre la cresta del vertedor medida a 2.5 H aguas arriba de la cresta.

No obstante lo anterior, en el caso de querer considerar el efecto de las contracciones laterales: y velocidad de llegada; la longitud del vertedor se corrige con la siguiente fórmula, que en forma general, incluye el efecto de las contracciones. (Una fórmula más aproximada, es la que corresponde crestas Vertedoras con Control.)

01.0' NHLL −= y la velocidad de llegada afectará a la carga real del vertedor, incrementando ésta, es decir:

aHHH +=0 siendo: L’ = Longitud real de la cresta N = Número de contracciones H0 = Carga total del vertedor

Ha = Carga debida a la velocidad de llegada = g

va

2

2

va = Velocidad de llegada = Q/A A = Área de la sección transversal del río hasta el nivel del agua en la llegada al vertedor De acuerdo con lo anterior, la fórmula puede escribirse:

( )[ ]( ) 2/31.0' aa HHHHNLCQ ++−= 62

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.4.2.1 GASTO DEL VERTEDOR Para el caso de cortinas vertedoras. en presas de derivación. el gasto del vertedor es el correspondiente a' la avenida de proyecto elegida o adoptada en el estudio hidrológico de la derivación. III.1.1.4.2.2 LONGITUD (L ) Y CARGA ( H )

Los valores de L y H, se eligen considerando las condiciones físicas del sitio para ubicar la cortina, previendo el costo de la misma, las excavaciones que se originan, la altura de los muros de protección y encauzamiento, etc.

Por ejemplo, en ocasiónales se tienen cauces muy anchos y habrá que definir - si

conviene construir la cortina vertedora en toda su longitud o bien construir un vertedor más corto y cerrar el cauce con muros macizos o terraplenes según lo permita la geología de dicho cauce (ver Fig. III.1 (e)). Lo que definirá adoptar una de las dos soluciones será el hecho de efectuar un estudio económico de ambas, además de considerar el funcionamiento hidráulico que se prefiera en cada caso.

Un vertedor corto es probable que se adapte más a la sección del cauce principal, pero al tener una carga mayor que en el caso de ser más largo, la sección de la cortina resulta ser hidráulicamente más robusta, y los muros para cerrar el cauce resultan más altos (ver Fig. III.29) Por otro lado tómese en cuenta que el hecho de contar con un mayor gasto en el vertedor por unidad de longitud, puede ser necesario un disipador de energía en la descarga, de mayor costo, que en el caso de tener menos gasto unitario.

63


B

B

H

H

1

Corona de los muroslaterales para H2

1laterales para HCorona de los muros

Perfil Creager para H1

2Perfil Creager para H( H < H ) 1 2

Fig. III.29 Perfil del cimacio para distinto valor de carga

III.1.1.4.2.3 COEFICIENTE DE DESCARGA “C”

En la selección o adopción del coeficiente de descarga deben tomar en cuenta los siguientes factores:

1. La profundidad de llegada "P". 2. La diferencia entre la carga de diseño del vertedor y la carga del gasto máxima. 3. El talud del paramento aguas arriba de la cortina. 4. La interferencia de la descarga de aguas abajo y de la sumergencia.

III.1.1.4.2.3.1 VERTEDORES CON CIMACIO CREAGER A continuación se comentarán brevemente los factores mencionados en el capítulo III.1.1.4.2.3 relacionados con el perfil del cimacio tipo Creager que es el más recomendable para vertedores y más comúnmente empleado. Este tipo de vertedor ha sido muy ensayado y observado por varios investigadores y si se desea tener más información sobre su funcionamiento se recomienda consultar los libros de hidráulica o de obras hidráulicas en el capítulo relativo a vertedores que tratan en su mayoría este tema con amplitud (Ver Fig. III.30)

64


Eje de la cresta vertedora

X

Y

Y

R1 = 0.530

R2 = 0.2340.234

R1 - R2 0 0.296

Ver

tical

1:3

Xc = 0.283

Yc = 0.126

X

Fig. III.30 Geometría del perfil aguas arriba del la cresta vertedora para un paramento vertical o con talud 1:3 Para el trazo del perfil de un cimacio tipo Creager es común utilizar la fórmula de Scimemi:

85.0

85.1

dHXY = ; Hd= Carga de diseño

III.1.1.4.2.3.1.1 PROFUNDIDAD DE LLEGADA De las observaciones de los vertedores en pared delgada se ha construido la gráfica que muestra la Fig. III.31 la cual sirve para determinar el coeficiente, “C"' de descarga, según la relación: P/Ho. Esta gráfica es válida para cimacios con perfil tipo Creager y para cuando el perfil del Cimacio se construye considerando la carga correspondiente a la avenida del proyecto, es; decir; He/Ho = 1 Para definir la altura "P' en un determinado proyecto, se deberá tener presente las características de arrastre de la corriente aprovechada, pues en un Principio se puede contar con un valor determinado el cual se irá reduciendo a medida que se acumule el azolve o acarreos que traen las avenidas.

65

Muchas veces la altura de las cortinas es pequeña y pudiera sucede que con las primeras avenidas de la temporada, después de construida la obra, la altura. ”P” se redujera a cero

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN En estudios previos o anteproyectos se ha adoptado un C = 2 tornando en cuenta que en varios diseños la avenida de proyecto se determina con Métodos indirectos.

VALORES DE P/Ho0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2VA

LOR

ES

DE

L C

OE

FIC

IEN

TE C

o

Q= Co L H3/2

P

Ho

ho

Fig. III.31 Coeficientes de descarga para las crestas de cimacio en pared vertical III.1.1.4.2.3.1.2 DIFERENCIA ENTRE LA CARGA DE DISEÑO DEL VERTEDOR Y LA CARGA DE DESCARGA MÁXIMA En ocasiones, tomando en cuenta que la avenida máxima de proyecto es poco frecuente y de corta duración, se diseña el perfil del cimacio con una carga menor que consecuentemente corresponde a una avenida menor.

66

Con esta medida se consigue una economía en la cortina ya que resulta menos ancha o robusta. Si el cimacio se diseñó con una carga menor y se presenta una avenida mayor, se originan en la Superficie de contacto del vertedor y la lámina vertiente, presiones negativas que hacen aumentar el coeficiente de descarga. Si escurre una avenida menor que la considerada para el diseño del cimacio, se origina presiones positivas sobre el paramento de descarga reduciendo el coeficiente "C".

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Se debe evitar diseñar con cargas menores al 75% de las correspondientes al gasto máximo. La Fig. III.32 muestra la gráfica para conocer los valores de dicho coeficiente con la relación He/Ho.

0.8

0.9

1.0

1.1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Relación de la carga sobre la cresta a la carga de proyecto = He/Ho

Rel

ació

n de

coe

feci

ente

s C

/Co

P

He

hoHo

Fig. III.32 Coeficientes de descarga para cargas diferentes de la de proyecto III.1.1.4.2.3.1.3 TALUD DEL PARAMENTO AGUAS ARRIBA DE LA CORTINA Se ha observado que en paramentos inclinados el coeficiente de descarga de un vertedor, aumenta para pequeñas relaciones entre la profundidad de llegada y la carga del vertedor, y tiende a disminuir cuando la relación P/H aumenta. La Fig. III.33 contiene las gráficas que sirven para ajustar el coeficiente obtenido para un paramento vertical, en el caso de que se vaya a tener un talud determinado en ese paramento. Por razones de estabilidad de la cortina muchas veces se hace necesario construir el paramento aguas arriba con cierta inclinación a fin de reunir los requisitos de estabilidad.

67


0

1:3

2:33:3

1.04

1.02

1.00

0.960.5 1.0 1.5

VALORES DE P/Ho

RE

LAC

IÓN

DE

CO

EFI

CIE

NTE

SC

incl

inad

aC

verti

cal

PH

o ho

Talud Angulo con la vertical1:32:33:3

18° 26´33° 41´45° 00´

Fig. III.33 Coeficiente de descarga para una cresta de cimacio con paramento de aguas arriba inclinado

III.1.1.4.2.3.1.4 INTERFERENCIA DE LA DESCARGA DE AGUAS ABAJO Y DE LA SUMERGENCIA Si la elevación de la superficie libre del agua, abajo del vertedor es superior al nivel de la cresta vertedora, se tiene un vertedor ahogado, esto sucede por ejemplo, en el caso de las descargas llamadas de lavadero o cuando se tiene un delantal con colchón amortiguador, con poco desnivel, lo cual es muy frecuente. El régimen de funcionamiento hidráulico preferido para nuestros proyectos en la mayoría de los casos es el de vertedor con descarga libre, sin posibilidades de ahogamiento y con resalto hidráulico inmediatamente al pie del vertedor. Esto se hace con el fin de disipar la energía de velocidad y continuar el escurrimiento en el cauce natural con velocidad aceptable No obstante lo anterior, cuando las cortinas son de muy poca altura y las condiciones hidrológicas del aprovechamiento exigen diseñar al muro vertedor con una avenida que da origen a un gasto unitario grande; en dicho muro se tiene el caso de un vertedor ahogado, para cuyo diseño se deberá determinar cuidadosamente el coeficiente de descarga. En otras ocasiones se puede prever el ahogamiento y tomar las medidas necesarias cuando por cuestiones de economía se diseña el vertedor para gasto menor a pesar de que se espera que escurra sobre el, aunque en forma eventual, una avenida mayor. Como una medida práctica y resultado de la experiencia, se recomienda que la sumergencia de la cresta no exceda del 30% de la carga sobre el vertedor para seguir considerando el coeficiente de descarga C = 2 véase Fig. III.34.

68


Elev., Cresta

Sumergencia

H

0.3 H

Fig. III.34 Sumergencia máxima recomendable El valor del coeficiente empleado en el diseño del vertedor afectado por los cuatro factores mencionados y comentados brevemente será el que resulte de considerar el coeficiente para descarga libre y talud vertical aguas arriba, multiplicado por las relaciones que se indican en seguida; es decir: C = Coeficiente adoptado como definitivo. C1 = Coeficiente de gasto para el vertedor, considerando talud vertical y descarga libre, tomando en cuenta los efectos de la altura “P” de llegada. C2 = Coeficiente de gasto, afectado por diferencias de descarga de proyecto y avenida máxima. C3 = Coeficiente de gasto, afectado por el talud de aguas arriba C4 = Coeficiente de gasto, afectado por la interferencia de la descarga de aguas abajo. C5 = Coeficiente de gasto, afectado por ahogamiento o sumergencia

Ahora bien, si 21

2 KCC

= ; 31

3 KCC

= ; 41

4 KCC

= ; 51

5 KCC

=

El valor del coeficiente de descarga definitivo será:

54321 KKKKCC = III.1.1.4.2.3.2 VERTEDORES EN CORTINAS DE ENROCAMIENTO

Por la forma que adquiere el vertedor en cortinas, su tipo se ubica también dentro de la clasificación de los llamados vertedores de cresta ancha o gruesa, los cuales se pueden tener de muy variadas secciones. Este requisito se cumple cuando el espesor “a” (ver fig. III.35 a) que representa la sección del vertedor más simple en este tipo, es mayor que la distancia comprendida entre la cresta de un vertedor con pared delgada y la línea en que la cara inferior de la lámina vertiente, corta al plano horizontal que pasa por el umbral o cresta del vertedor.

HHH

a

( a ) ( b ) ( c )

Fig. III.35 Ejemplos de vertedores de pared gruesa 69

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN De acuerdo con los investigadores de vertedores con pared gruesa, se acepta que: Sí a > 2/3 H el manto de agua se adhiere a la cresta, funcionando así hasta para a = 3H. Para valores de a < 0.5H la lámina se despega del umbral. Si a está comprendido entre 0.5 y 0.66 de H. La adherencia de la lámina es inestable. Cuando se tengan umbrales más anchos que 15 H. el funcionamiento en forma estricta es parecido al de un canal corto en régimen cercano al crítico y el perfil de la lámina es parecido al ilustrado en la fig III.36

H

a > 15 H

d > d C

Cd

Perfil de la S. L. A.

Fig. III.36 Funcionamiento del manto de agua cuando a > 15 H

En general en todos estos tipos de vertedores, la fórmula tiene la siguiente forma;

Q = 2 /3 µ L (2g) ½ H3/2 = 2/3 µ (19.62)1/2 L H3/2

O bien:

Q = 2.953 µ LH3/2

Fórmula que es aplicable con sólo determinar el valor µ adecuado.

Son muy variados los perfiles para vertedores de cresta ancha y en los tratados de hidráulica se pueden encontrar varios de ellos, así como en los estudios realizados por diferentes autores. No obstante, en los libros de consulta que se tienen comúnmente a la mano, no se han encontrado datos de estudios efectuados expresamente para los vertedores en cortinas de tipo indio, para los rangos y características que se pueden presentar; por tal motivo se tiene la incertidumbre en la elección del coeficiente de descarga, a diferencia de lo que sucede por ejemplo, con el perfil Creager, para el cual se cuentan con resultados y experiencias de varias observaciones que pueden ser consultados. Basándose en los ensayos de otros vertedores de pared gruesa, que por algunas circunstancias guarden cierta analogía con el vertedor de la cortina de enrocamiento, se ha convenido en adoptar para fines prácticos el valor 1.80, mientras se carezca de otra información o datos más adecuados, para el coeficiente "C", del vertedor en la fórmula:

70


23

CLHQ = Para C = 1.80 el valor de µ corresponde a 0.60 aproximadamente. Lo que se dijo en páginas anteriores respecto a los otros factores, que se incluyen en el valor del coeficiente "C", tales como la sumergencia, la altura de llegada "P", etc. se pueden aplicar también para los casos de cortinas tipo indio pero desde luego con cierto criterio.

La influencia de la inclinación del talud aguas arriba es usual no tomarlo en cuenta en cortinas de enrocamiento para estos efectos, pues parece ser que por una parte dicha inclinación aumenta el valor del coeficiente y por otra el enrocamiento en ese paramento contrarresta el efecto favorable de descarga. III.1.1.4.3 DISIPADOR DE ENERGÍA.

Al elevarse el tirante del agua en un río y hacer que la corriente se derrame sobre el muro vertedor, el agua adquiere una energía de posición que se transforma en energía de velocidad o cinética, cuya magnitud depende de la altura de caída y consecuentemente de la altura de la cortina.

Los perjuicios que ocasiona el escurrimiento debido a una alta velocidad, son fundamentalmente los efectos debidos a la socavación y erosión del agua al pie de las estructuras, que obviamente ponen en peligro su estabilidad o la dañan parcialmente.

En la Fig. III.37 se trata de mostrar la socavación del agua debido a una fuerte velocidad, al pie de una cortina cimentada en terreno poco resistente.

Un fenómeno similar se llega a presentar también en otros elementos, por ejemplo en los muros de encauce, o los que flanquean a la cortina.

H

Terreno después dela socavación

Terreno original

Fig. III.37 Socavación al pie de una cortina. 71


Si la caída es pequeña o si en el lecho del cauce, existe material resistente, el golpe del agua puede no afectarle al muro vertedor y probablemente serán mínimas las precauciones que se tomen para amortiguar o resistir la velocidad del agua, por ejemplo con zampeados o revestimientos de corta longitudinal después del muro vertedor. (ver Fig. III.38)

Revestimientode concreto Zampeado

Fig. III.38 Ejemplos de protección al pie de las cortinas

En la mayoría de las presas de derivación es necesario diseñar un dispositivo adosado al cuerpo de la cortina o formando parte de ella, con el objeto de disipar la energía de velocidad del escurrimiento en el vertedor y entregar el flujo del agua al cauce natural del río con velocidades que no ocasionen deterioro a las estructuras que forman la derivación.

Se han ideado varios tipos de amortiguadores, cuyo diseño se basa en los principios de la hidráulica, así como en las experiencias que se han hecho en el laboratorio con modelos hidráulicos.

En general esos dispositivos, con muchas variantes, se pueden agrupar en:

III.1.1.4.3.1 Colchones o tanques amortiguadores. III.1.1.4.3.2 Estructuras deflectoras. III.1.1.4.3.3 Estructuras de impacto.

Las estructuras de impacto no se tratarán en este trabajo por no ser usuales en nuestras

derivadoras. III.1.1.4.3.1 COLCHÓN AMORTIGUADOR O TANQUES AMORTIGUADORES.

Consiste en un tanque al pie de la cortina con una profundidad "P" que viene siendo el espesor del colchón de agua, para amortiguar el golpe del chorro. El diseño de este tanque se basa en el principio del salto hidráulico que establece la hidráulica. 72

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.4.3.1.1 SALTO HIDRÁULICO.

Se recordará, que en un escurrimiento el salto hidráulico se verifica cuando se pasa en condiciones adecuadas, de un régimen rápido a un régimen lento con pérdida parcial de energía. (ver fig III.39)

La aplicación del salto hidráulico en un tanque amortiguador es por lo siguiente:

Al presentarse un escurrimiento con régimen rápido sobre el vertedor, y teniendo en el río una pendiente más o menos suave y menor que la critica correspondiente se tendrá al pie del vertedor un tirante d1, cuyo conjugado d2 tratará de formarse rápidamente, si las condiciones físicas del escurrimiento lo propician. (ver fig III.39)

Al producirse el tirante d2 la energía critica se transforma; una parte en energía de

presión y otra se pierde por el cambio súbito de régimen y en los remolinos y turbulencias del salto hidráulico.

El objeto de diseñar el tanque, aguas abajo de la cortina es con el fin de contar con las condiciones adecuadas, para que el cambio brusco de tirantes se verifique dentro de una longitud mínima del cauce, (ver fig III.39) que es la que se debe proteger debidamente.

Pero no siempre se formará o será necesario hacer que se produzca el salto hidráulico; la necesidad de él dependerá de las características de resistencia que le tengan los materiales del cauce. Por lo tanto habrá casos en los que únicamente será necesario calcular las velocidades que se tengan aguas abajo de la cortina y ver si son aceptables de acuerdo con los materiales que se tengan en el sitio.

H

Z

d c

d1

d2

Colchón P

Elevación crestavertedora

Piso del tanqueElev. Pt

L = Longitud del tanque

Elev. U dn Cauce natural

Secc

ión

de c

ontro

l

Fig. III.39 Tanque amortiguador

73

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.4.3.2 ESTRUCTURAS DEFLECTORAS

Cuando el sitio donde se pretende construir la derivadora es favorable en cuanto a impermeabilidad y resistencia, la descarga del agua se controla, mediante estructuras deflectoras construidas al pie de la cortina. El objeto de estos dispositivos es alejar de la estructura el agua de descarga, hasta un sitio en el que sus efectos, como la erosión y socavación, ya no sean peligrosos para la estabilidad de la cortina.

Existen varios tipos de deflectores (ver Fig. III.40) cuya forma y efectividad han sido estudiadas por varios investigadores, y esto ha permitido obtener ciertas relaciones geométricas para aplicarlas en el diseño de otros casos, basándose en las leyes de semejanza.

10 12

7

4

1

8

5

2

9

6

3

11

Fig. III.40 Algunos ejemplos de Estructuras Deflectoras 74


Los tipos empleados con más frecuencia, siguientes: III.1.1.4.3.3.1 Trampolín sumergido y III.1.1.4.3.3.2 Trampolín libre o Salto de ski.

III.1.1.4.3.2.1 TRAMPOLÍN SUMERGIDO Además de usarlo cuando las condiciones geológicas del terreno son favorables, éste dispositivo es más propio, para cuando los tirantes en el cauce resulten ser grandes, de tal manera que un salto hidráulico sería poco efectivo, y se necesitaría un tanque amortiguador grande que haría antieconómica esta solución.

La efectividad de este trampolín se basa desde luego en su funcionamiento que, fundamentalmente consiste en el lanzamiento de la lámina vertiente, con determinado ángulo y la formación de dos remolinos R1 y R2, (ver Fig. III.41); el primero se forma arriba de la cubeta circular girando en sentido contrario a las manecillas del reloj, y el otro se localiza sobre el terreno, aguas abajo del trampolín con movimiento en sentido igual a las manecillas del reloj.

La disipación de la energía se logra con la mezcla del agua que entra al trampolín y el remolino (R1), que se forma en él. y el agua que sale del trampolín y se combina con el remolino de aguas abajo (R2). Una zona de turbulencias arriba del remolino (R2) también ayuda a disipar la energía.

Dentro de este tipo de trampolines se distinguen fundamentalmente dos clases: los lisos y los estriados o dentados. con igual principio de funcionamiento. No obstante esto. el trampolín estriado es más efectivo siempre y cuando se tenga tirantes en el río con determinadas variaciones de magnitud; el trampolín liso es menos efectivo, pero esta efectividad se conserva para mayor rango de variación de los tirantes en el río. La diferencia de efectividad en ambos es debida a que en el trampolín liso. la corriente de agua que sale del deflector animada de alta velocidad y con dirección hacia arriba. se mezcla menos con el agua de descarga, dando por resultado que el remolino de aguas abajo y la turbulencia de la superficie sean fuertes y por lo tanto su efecto se deja sentir en una mayor longitud aguas abajo. En cambio, en el trampolín con dientes y debido a estos, únicamente parte de la corriente de alta velocidad, se dirige a la superficie del agua con lo cual las turbulencias casi se eliminan, observándose menos violento el remolino de aguas abajo.

75


H

dR1

2Rn

Fig. III.41 Trampolín sumergido

El diseño del trampolín sumergido se reduce al cálculo del radio mínimo recomendado

para su parte curva y en verificar que los tirantes que se presenten en el río para diferentes valores de la avenida, posibiliten un funcionamiento correcto. Si el tirante en el río es pequeño, la lámina vertiente puede empujar al remolino (R1) de la superficie hacia aguas abajo, originando una fuerte corriente superficial y de fondo en el cauce. Cuando el tirante en el cauce es demasiado grande el chorro de salida del trampolín se ahoga y corre por la superficie y fondo del cauce alternativamente; consecuentemente el remolino de aguas abajo, cambiará de posición también alternativamente y así cuando el chorro se localiza en el fondo ocasionará una erosión. que se rellena cuando sea el remolino quien se ubique en el fondo. (ver fig III.42)

H

Cubeta deltrampolín

Hueco limpio

Cama de gravadespués del flujo

antes del flujoCama de grava

Grava

Fig. III.42Esquema de funcionamiento del trampolín sumergido

76

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.4.3.2.2 TRAMPOLÍN LIBRE O SALTO DE SKI

Se emplea este tipo de deflector si el terreno es muy resistente, la cortina es más o menos alta y cuando los tirantes en el río no resultan ser muy grandes

La disipación de la energía que se consigue, es debido a las turbulencias y. casi

pulverización de la corriente por la acción del aire originada por su lanzamiento desde el trampolín y a lo largo de su recorrido, antes de caer; además se logra alejar la caída del pie de la cortina donde su efecto ya no es peligroso para dicha estructura. (ver fig III.43)

H

dn

x

R

Fig. III.43 Trampolín libre o salto de SKI III.1.1.4.3.2.3 DISIPADOR TIPO TENAXCO En la extinta Dirección General de Obras Hidráulicas para el Desarrollo Rural, se ha ensayado y empleado un tipo de disipador que en nuestro medio se le conoce con el nombre de deflector tipo Tenaxco, porque se empleó para el vertedor de la Presa Tenaxco, Jal. La figura III.44 muestra este tipo de disipador que, fundamentalmente consiste en una cubeta amortiguadora con fondo curvo de cierta profundidad; este tipo de deflector trabaja ahogado debiendo quedar su nariz a una elevación igual a la superficie del agua del tirante del río. Económicamente compite con un tanque amortiguador pero se recomienda hacer un estudio comparativo para definir su empleo.

77

Los datos que indica la figura son los recomendados para el diseño de este deflector y son el resultado de los ensayos que se hicieron con este deflector.


Diente50 a 60 cm

2.8 d1

d1

25°

1.5

d1

3.5 d180 mín

6 d1

R = 20 d1DienteSeparación entre dientes2.4 d1 ó 3.6 d1

Elev. del fondode la cubeta

Fig. III.44 Deflector tipo Tenaxco III.1.2 BOCATOMA U OBRA DE TOMA Se llama obra de toma al conjunto de estructuras constituidas para extraer el gasto máximo de demanda hacia el canal de conducción. Una presa derivadora debe regular en todo momento el gasto requerido por las demandas de las zonas de riego, siendo muy importante hacer un diseño eficaz de los mecanismos de operación, buscando sean de fácil maniobra y buena construcción, porque de fallar esta construcción o estructura o su mecanismo de control, puede dar lugar a un exceso de agua en el sistema de conducción creando peligro tanto en los canales como en la zona de riego. Para ubicar la obra de toma se deben considerar las siguientes indicaciones (ver fig III.45, III.46, III.47):

1. Deberá estar localizada en un lugar apropiado para su construcción y ubicada en la parte superior de conducción donde no se presenten obras costosas como túneles, cortes profundos o grandes excavaciones de roca.

2. Donde el plano vertical que contiene las compuertas reguladoras pueda colocarse formando un ángulo recto con el dique vertedor para facilitar la localización de la estructura desarenadora o de limpia

3. Cerca de los materiales de construcción necesarios 4. Donde se disponga de un terreno de cimentación resistente, impermeable y poco

profundo 5. En el punto fijado por el estudio económico de la construcción del dique vertedor y el

canal de conducción

78


6. En el tramo en que la velocidad del río sea de preferencia menor que la del canal de conducción para que los depósitos de azolve se hagan en el río.

cortina

muros de encaucepilas

compuertas ra-diales o agujas

desarenador

compuertasdeslizantesde la toma

eje decanal

A

B

A

B

Fig. III.45 Obra de toma y canal desarenador (PLANTA)

B a 2BMín

B

MínB a 2B

Pantalla

Compuertasde toma

Eje de la cortina

Sistema de abertura y cierre

Plantilla deldesarenador

S > S CCaucenatural

Fig. III.46 Perfil longitudinal de un canal desarenador (CORTE A-A) 79


h

Mecanismo elevador

Compuertadeslizante

Elevación A

e

d Canal deconducción

Plantilla del canaldesarenador( elevación C )

Crestavertedora

B

Fig. III.47 Corte B-B

III.1.2.1 PARTES CONSTITUYENTES DE UNA OBRA DE TOMA La obra de toma consta generalmente de las siguientes partes:

1. La parte inferior de la estructura, formada por el piso, los delantales, dentellones y el umbral de apoyo de las compuertas

2. Los muros laterales, los cuales con el piso forman el canal de entrada, que liga con el canal de conducción

3. Las pilas, columnas o muros que dividen el ancho del canal de entrada, que liga con el canal de conducción

4. Pantallas que cierran la parte superior de las aberturas antes mencionadas y la plataforma de maniobras

5. Las compuertas, las cuales pueden ser deslizantes o radiales, el uso de las compuertas deslizantes resulta económico cuando se tienen bajas presiones y tamaños más o menos chicos, cuando se tienen grandes claros y fuertes presiones se recurre al uso de compuertas radiales (ver fig III.48, III.49, III.50)

80


Muro de mamposteria

Perfil del terreno

Rejillas

Compuerta para controlInicio del canal de riego

Plantilla del canalde acceso

Fig. III.48 Obra de toma con compuertas deslizantes (Corte longitudinal)

Canal de acceso

Compuerta

RejillasAgujas

Cauce

Mecanismo elevador

Inicio del canal

Fig. III.49 Obra de toma con compuertas radiales (Corte longitudinal)

B a 2Bmínimo

B

Oreja inferior

Oreja superior

B

mínimoB a 2B

Pantalla

Corona muro Malacate

PernoR

Fig. III.50 Detalle de la instalación de compuertas radiales 81

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.2.2 CÁLCULO HIDRÁULICO DE LA TOMA El cálculo hidráulico de la toma comprende: III.1.2.2.1 dimensiones del orificio y conducto III.1.2.2.2 determinación de la capacidad del mecanismo elevador III.1.2.2.3 diseño de la transición que une la salida de la toma con el canal de riego III.1.2.2.1 DIMENSIONES DEL ORIFICIO Y CONDUCTO Generalmente el conducto de la obra de toma atraviesa únicamente el muro donde se alojan las compuertas y por ello, desde el punto de vista hidráulico, este cálculo se reduce a considerar, un orificio con tubo corto, sumergido (ver fig. III.47). Para un mejor funcionamiento hidráulico de la bocatoma, conviene que el orificio trabaje ahogado y es recomendable que como mínimo se tenga un ahogamiento de 10 cm.; en esas condiciones la fórmula que liga la carga, gasto y área en un orificio es:

ghACQ 2= Siendo: Q = Gasto de derivación o gasto normal en la toma, en m3/seg. g = Aceleración de la gravedad = 9,81 m/seg2

C = Coeficiente de descarga para el orificio correspondiente h = Carga del orificio en m En la siguiente tabla se muestra algunos valores de C para varios tipos de orificio:

82


Condición de los bordes o aristas en la entrada

PL

Todos los bordes a escuadra

Contracciones suprimidas en el fondo solamente

Contracciones suprimidas en el

fondo y en un costado

Contracciones suprimidas en el fondo y en los dos costados

Contracciones suprimidas en el

fondo, los costados y la parte superior

0.02 0.61 0.63 0.68 0.77 0.95 0.04 0.62 0.64 0.68 0.77 0.94 0.06 0.63 0.65 0.69 0.76 0.94 0.08 0.65 0.66 0.69 0.74 0.93 0.10 0.66 0.67 0.69 0.73 0.93

0.12 0.67 0.68 0.70 0.72 0.93 0.14 0.69 0.69 0.71 0.72 0.92 0.16 0.71 0.70 0.72 0.72 0.92 0.18 0.72 0.71 0.73 0.72 0.92 0.20 0.74 0.73 0.74 0.73 0.92

0.22 0.75 0.74 0.75 0.75 0.91 0.24 0.77 0.75 0.76 0.78 0.91 0.26 0.78 0.76 0.77 0.81 0.91 0.28 0.78 0.76 0.78 0.82 0.91 0.30 0.79 0.77 0.79 0.83 0.91

0.35 0.79 0.78 0.80 0.84 0.90 0.40 0.80 0.79 0.80 0.84 0.90 0.60 0.80 0.80 0.81 0.84 0.90 0.80 0.80 0.80 0.81 0.85 0.90 1.00 0.80 0.81 0.82 0.85 0.90

Tabla III.4 Coeficiente de derrame o gasto, C, para tubos sumergidos Recopilados de los experimentos efectuados por Stewart, Rogers y Smith

L = Longitud del tubo, P = Perímetro de la sección transversal de los tubos En la mayoría de los diseños se tienen orificios ahogados, cuyo coeficiente para anteproyectos se puede considerar C = 0.80. Dependiendo de la magnitud del gasto, el área necesaria podrá dividirse en uno o más orificios y así también será el número de compuertas que se tengan en la toma (ver fig. III.46)

Así pues, una forma de determinar la dimensión de la compuerta o compuertas será; considerar un valor de 0.10 m a la carga h del orificio y calcular el área para tener una idea de su valor, es decir:

ghCQA2

=

Otra manera sería suponer una velocidad en el orificio (0.50 a 1.00 m/seg.) y calcular el área correspondiente, con la fórmula de la continuidad.

83


vQAAvQ =∴=

III.1.2.2.2 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL MECANISMO ELEVADOR Observando la figura III.51 la capacidad del mecanismo elevador vale:

VástagoPesoCompuertaPesoEKElevMecCap ++=... Siendo: K E = Fuerza de fricción que se produce en las guías de la compuerta originada por el empuje hidrostático (E), que actúa en la hoja de la compuerta. (K) coeficiente para valuara esa fricción cuyo valor puede considerarse igual a 0.35 para las compuertas con asientos de fierro, pulidos a máquina. El peso de la compuerta y el peso del vástago se conocen consultando el plano de la compuerta elegida o si se diseñó especialmente, calculándolo de acuerdo con los perfiles empleados. Casi siempre lo más práctico y cómodo es escoger un mecanismo elevador, de los que ya están diseñados, porque además el diseño de estos artefactos son laboriosos y en muchos casos, la fabricación resulta más costosa que adoptar uno de mayor capacidad que el requerido. Esto es debido a que las casas proveedoras de estos aparatos tendrían que hacer un molde de fabricación especial. Para cerrar la compuerta, también se requiere una capacidad del mecanismo, pero menor que el calculado para abrirla. Sin embargo, se considera de igual magnitud por la posibilidad que se tiene de forzarla, por descuido o por atorarse, debido a una piedra o rama que impida el cierre hermético y se pretenda cerrar a fuerza la compuerta. Es con la capacidad de cierre, con la que se determina el diámetro del vástago y la separación de las guías del mismo para evitar que se flexione y se deforme

84


Elev. crestavertedora

H máx

N.A.M.E.

Diagramade presiones

E

h

Plantilla del canaldesarenador

Compuerta

Plantilla delconducto

Eje del vástago

Fig. III.51 Empuje hidrostático sobre la compuerta de la bocatoma III.1.2.2.3 DISEÑO DE LA TRANSICIÓN QUE UNE AL CONDUCTO DE LA TOMA CON EL CANAL DE CONDUCCIÓN

Con la finalidad de disminuir las pérdidas por cambios de sección, evitar turbulencias, y en general tener un funcionamiento tranquilo y más correcto, entre el enlace de la toma y el canal de conducción, se recomienda diseñar una transición en este sitio, la cual no es más que la disposición de las paredes de esta unión en forma tal, a fin de conseguir un cambio gradual. En general, se pueden tener muchas formas de transición, las cuales dependen de las secciones que se vayan a unir, sin embargo el caso más común que se presenta los proyectos es el de pasar de una sección rectangular (en la salida de la toma), a otra de sección trapecial que corresponde al canal de derivación. Con frecuencia las dimensiones de la plantilla también cambian.

Se hace la observación que en ocasiones, dada la magnitud del gasto, el conducto de la toma descarga directamente a la sección del canal, pues el hacer una transición motiva a introducirse más a la ladera lo cual origina un aumento considerable en las excavaciones. Esto sucede con frecuencia cuando el canal se inicia más o menos normal al eje de la toma; en estos casos la transición puede ubicarse un poco alejada de la salida. Lo más recomendable es que las paredes de la transición sean alabeadas o redondeadas, pero por razones económicas o de facilidad constructiva se acostumbra simplificar esta transición dividiendo a las paredes laterales en dos planos según una línea recta (ver fig III.52) que va desde el inicio de la transición y por la parte inferior de la sección, hasta el punto donde termina su parte superior; a la parte de la pared del plano abajo de esta línea se le da el talud correspondiente, lográndose así, un paso más o menos gradual que es aceptable.

85


S1 2S

hv1

2hv

d1 2dt Elev. inicio canal

hf

Elev. P

P E R F I L

T t

L

P L A N T A

Traza de la S.L.A. con lasparedes del canal

Fig. III.52 Transición III.1.3 ESTRUCTURA DE LIMPIA En las obras hidráulicas de captación para el aprovechamiento de corrientes superficiales tales como las tomas directas y derivadoras, se tiene siempre el problema de la acumulación de azolves en la obra de toma. Esto es debido a que para el control de la captación en general, son convenientes bajas velocidades, las cuales propician la sedimentación de materiales y esto a su vez es consecuencia de los obstáculos que se le anteponen a la corriente.

El azolve acumulado en las estructuras de toma de una presa derivadora y el que se llega a pasar a los canales de riego traen problemas relativos al funcionamiento de la obra, que redundan en una baja eficiencia del sistema de aprovechamiento, aumento en los costos de operación y conservación de la misma, así como suspensión temporal del servicio de riego, etc.

86

El azolvamiento de las presas derivadoras se origina porque el río conduce materia sólida, como cantos rodados, gravas, arena, limo. Al construir la presa, se eleva el nivel libre del agua, se incrementa la sección transversal de la vena líquida, disminuye la velocidad y el agua va perdiendo capacidad de arrastre por lo que va depositando los materiales en el vaso. La presa en sí, es además un obstáculo que detiene los cuerpos grandes, incluso los flotantes, propiciando el azolvamiento. Influye en esto, directamente la geológica de la cuenca y cauce, zona del río en donde se ubica la obra, velocidad de las crecientes, vegetación en la cuenca, etc. Todos son factores que determinan el tipo y cantidad de azolve que se tendrá en el aprovechamiento.


El material en suspensión que lleva la corriente es difícil de controlar y evitar su paso a la zona de riego debido a su finura y en general no perjudica en sí a las estructuras, pues lo contrario puede beneficiar a los terrenos contribuyendo con sustancias fertilizantes. En cambio los azolves formados con materiales que arrastra la corriente, como son: arenas, gravas y cantos rodados son los que ocasionan problemas en el funcionamiento de la derivadora y consecuentemente son los que se tienen que eliminar.

En general el daño de azolves a las estructuras, se prevé tomando medidas ya sea para quitar la acumulación de material de tiempo en tiempo o evitar que en un período razonable no llegue a sentirse el daño, por ejemplo, en las presas de almacenamiento, el umbral de la toma se localiza arriba del nivel que marca el límite del espacio, que se deja para los azolves durante cierto período, de está manera se evita el taponamiento, u obstrucción de la toma.

En las presas de derivación, se construyen estructuras con el objeto de prever una limpieza periódica a la bocatoma. La estructura consiste fundamentalmente y en general, en un canal que se localiza frente a la toma; así este canal, llamado desarenador, queda formado por dos paredes verticales y paralelas, una se separa el cause del río y el desarenador, y la otra al desarenador y la ladera en donde se localiza el canal de riego. (ver fig. III.53, III.54 y III.55)

Muro de la ladera en dondese ubica la toma Eje del canal de

derivación

Muro

Bocatoma

Eje del canaldesarenador A

A

BB

Cortina

Fig. III.53 Bocatoma típica PLANTA

87


Elev. P d

h

Conducto

L

P

Compuerta

HElev., Cresta

Fig. III.54 Bocatoma típica CORTE A-A

B a 2BMín

B

MínB a 2B

Pantalla

Compuertasde toma

Eje de la cortina

Sistema de abertura y cierre

Plantilla deldesarenador

S > S CCaucenatural

Fig. III.55 Perfil Longitudinal de un canal desarenador CORTE B-B

El canal desarenador debe quedar de preferencia paralelo al eje del río y la toma se hará por uno de sus lados, en sentido perpendicular al escurrimiento que se tenga en el desarenador, tratando de evitar la entrada de azolves al canal.

En ocasiones, cuando los problemas de azolves son más serios y las características topográficas del cause del río son propicias, se construyen desarenadores muy amplios para que el río desarene parcial o totalmente en toda la anchura de su cauce, mediante la abertura del sistema de control del paso del agua (ver fig. III.56, III.57).

88


Sistema de control(compuertas oagujas)

Eje de la toma

Eje del canalprincipal

Muros deencauce

( )

Fig. III.56 Desarenador muy amplio

Bocatoma

Canal dederivación

Cortina

Eje deldesarenador

Fig. III.57 Desarenador muy amplio

En otros casos además del desarenador se le provee a la bocatoma un sistema de cribas para impedir el paso de acarreos a la misma y propiciar su decantación ante la toma. Con esto se logra facilitar el desalojo de acarreos de tiempo en tiempo. (ver fig. III.58).

89


Eje del desarenador

Toma

CribasEje de la cortina

A A

P L A N T A

Cribas

Compuerta de toma

C O R T E A - A

Piso deldesarena-dor

Fig. III.58 Sistema de Cribas en la bocatoma La Fig. III.59, muestra el esquema de un diseño de estructura de limpia, a cuya toma se le

antepuso un vertedor, para evitar el paso de acarreos de tamaño grande y facilitar la limpieza periódica.

Desagüe

Toma

Desarenador

Cortina

Vertedor

Fig. III.59 Obra de toma con vertedor en el desarenador

90

El funcionamiento del canal desarenador es el siguiente: considerando la compuerta del desarenador, (ver fig III.55) se puede impedir el paso del agua hacia abajo, para encausarla hacia el canal de riego, cuando las compuertas de la toma estén abiertas; en esta forma, en el

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN tramo del canal arriba del sistema de obstrucción decanten para lo cual, será necesario tener en ese sitio una baja velocidad. Para desalojar periódicamente el azolve acumulado, deberán cerrarse las compuertas de toma, abrir la descarga del desarenador y producir el flujo del agua de manera que la velocidad sea suficiente para arrastrar dicho azolve, descargándola nuevamente al río aguas abajo del sitio de la derivación.

III.1.3.1 DISEÑO DEL CANAL DESARENADOR

En el proyecto de un canal desarenador en el primer lugar se debe propiciar un fácil acceso del agua hacia él y por otra parte su descarga deberá ser libre, es decir sin posibilidades de ahogamiento.

Para facilitar el acceso del agua, lo más práctico es cortar el terreno a fin de tomar una banqueta desde el inicio del canal desarenador hacia aguas arriba, a una elevación que corresponda a la de plantilla del desarenador, pero preferentemente un poco menor que esta elevación. Sin embargo, para definir el acceso (banqueta) habrá que considerar la ubicación del desarenador, así como otras características del sitio, tales como: tipo de materiales en la ladera, elevación de la plantilla del desarenador con relación al fondo del cauce, anchura del canal, etc.

En ocasiones debido ala topografía de la ladera y por la conveniencia de localizar el canal dentro de ella, una banqueta horizontal ocasionaría volúmenes de excavación grandes.

Para la descarga libre del canal, se debe proyectar a modo de tener un régimen rápido o supercrítico verificando además, que la velocidad de dicho canal sea superior a la velocidad del río en el sitio de la descarga y que la elevación de la superficie libre del agua en el canal sea superior a la del agua del río o como mínimo que ambas coincidan a fin de garantizar una descarga sin posibilidades de ahogamiento.

La pendiente que garantice un régimen rápido en el canal deberá adaptarse en lo posible al perfil del terreno, a fin de disminuir los volúmenes de excavación que se originen. En algunas ocasiones debido al desnivel existente entre el inicio del canal y su descarga, será necesario construir caídas o rápidas con colchones amortiguadores para disipar la energía cinética del agua en otras el desarenador puede quedar localizado en tal forma que su descarga siga el mismo perfil del paramento de la cortina y será necesario, por tanto construir un muro divisor o guía para impedir el paso de los acarreos hacia la zona de la cortina.

Los lineamientos que se siguen para el diseño de rápidas y amortiguadores en un canal desarenador son los mismos que los que se consideran para cualquier estructura de este tipo, no obstante si se toma en cuenta que el flujo por el desarenador es periódico se pueden admitir velocidades un poco más altas que las aceptadas para otro caso, por ejemplo la rápida en un canal de riego.

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En otras ocasiones el desnivel entre el inicio del desarenador y su probable descarga puede ser escasa y entonces hay necesidad de darle un desarrollo mayor para que la descarga no sea tan inmediata y con peligro de propiciar su ahogamiento.


En lugar de esto último se puede aumentar elevación de la plantilla del desarenador en su inicio, por su puesto aumentara también la elevación de la obra de toma, a fin de contar con un desnivel suficiente. Esta solución origina aumentar la altura de la cortina, muros laterales, etc. Y por ellos la adopción de una de estas alternativas dependerá del aspecto económico de cada una de ellas. III.1.3.1.1 GEOMETRÍA E HIDRÁULICA DEL DESARENADOR

La determinación de las características geométricas del desarenador , se basa en las condiciones de su funcionamiento, y así, para determinar dichas características, consideremos fundamentalmente, dos formas de operar el canal desarenador y que a continuación se indican: III.1.3.1.1.1 Primera condición: Canal desarenador cerrado y obra de toma abierta. III.1.3.1.1.2 Segunda condición: Canal desarenador abierto y bocatoma cerrada. III.1.3.1.1.1 PRIMERA CONDICIÓN: CANAL DESARENADOR CERRADO Y OBRA DE TOMA ABIERTA.

Para esta primera condición, el tramo desarenador, frente a las compuertas de la bocatoma, funciona como un tanque de sedimentación, su geometría deberá permitir, velocidades bajas del agua, para dar oportunidad a que los acarreos se depositen en ese sitio.

La sección del canal adquiere la forma rectangular, por que se aprovechan las paredes de los muros laterales y porque dicha sección facilita instalar los controles de apertura y cierre.

La elevación de la plantilla del canal, frente a la toma es inferior a la del umbral de las compuertas de la misma, con el propósito de contar con un espacio para el depósito de los sedimentos, evitando así, su paso al canal de riego.

Este espacio es variable y se puede dejar tan alto, como se posible y conveniente, pero desde luego, dependerá del tamaño y cantidad de los acarreos que se tengan en el río en cuestión, y en general se recomienda de acuerdo con la experiencia, que como mínimo sea de 80 cm.

De acuerdo con lo anterior el diseño del canal, se reduce a determinar su ancho, una vez que se haya elegido la velocidad del agua dentro de él y considerando que la superficie libre del agua, corresponde con la elevación de la cresta de la cortina vertedora, así pues, basándose en la ecuación de continuidad, se tendrá:

AVQ *= de donde:

92


VQA =

por otro lado dbA *=

Luego:

dAb =

siendo: Q = Gasto (mínimo) normal considerado en m³ / seg. A = Sección Hidráulica del canal en m². V = Velocidad para propiciar la sedimentación en m / seg. III.1.3.1.1.1.1 GASTO MÍNIMO NORMAL.

En un momento dado, el gasto en este canal, será el que deba pasar por la toma y por lo tanto, será igual al gasto de derivación normal.

No es por demás indicar, que otra condición sería el comportamiento del desarenador para gastos menores que el normal de derivación, pero este caso seria favorable, dado que para la misma sección hidráulica, la velocidad sería menor.

Esta condición se presenta, estando operando la toma parcialmente. III.1.3.1.1.1.2 ÁREA HIDRÁULICA DEL CANAL.

Considerando que el espacio abajo del umbral de la toma, 2-3-4-5 Fig. III.60 está destinada a la ocupación de acarreos y lodos, el área hidráulica que se considera será la 1-2-5-6.

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Elev. CrestaPantalla

Eje del desarenador

Elev. umbral

Elev. plantilla

b

d

1 6

2 5

3 4

Fig. III.60 Sección hidráulica del canal desarenador

En ocasiones se tiene un gasto de derivación relativamente pequeño, y al considerar una velocidad máxima recomendada para propiciar la sedimentación, el canal resulta pequeño, de tal suerte que constructivamente y desde el punto de vista de la proporción, se antoja hacerlo más amplio; por lo que de acuerdo con la experiencia de obras construidas, se ha adoptado que este canal tenga como mínimo una anchura de 1.50 m. a 2.00 m. Y lo que va a suceder en estos casos, es que la velocidad será menor que la máxima recomendable, lo cual es ventajoso.

La velocidad que se considera en el canal a fin de propiciar la sedimentación de los azolves, dependerá del tipo de los mismos y en general de los materiales que se vayan a tener. Sin embargo para fines prácticos la velocidad que se considera en los proyectos, son los que recomienda diversos investigadores, cuyos resultados se han obtenido de la experiencia, tanto en nuestro país como en otros, en este tipo de obras.

En general las velocidades que se recomiendan, no rebasan el valor de 0.6 m/seg. y por lo tanto esta velocidad se podrá considerar como la máxima recomendable.

Esta recomendación se puede comprobar partiendo del estudio que algunos investigadores han hecho, sobre las velocidades mínimas que se deben tener en un canal, para no propiciar la sedimentación , ni erosión. Es decir que las velocidades para sí propiciar la sedimentación, deberán ser menores que las encontradas para este estudio.

Así por ejemplo, R. G. Kennedy, estableció una fórmula empírica para no tener azolves en canales. Se hace la aclaración que está fórmula no toma en cuenta la contextura de los materiales de las paredes del canal, la presencia de material coloidal o aglutinante, ni la cantidad del sedimento en suspensión. 94

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN La fórmula es:

64.0* dCV = Siendo: V = Velocidad en el canal para no producir depósitos de azolves, ni erosión. C = Coeficiente que depende de la finura de las partículas del suelo, considerando que es la misma, tanto para el sedimento en suspensión como para las paredes del canal. d = Tirante en metros.

Material C Sedimento arenoso fino de Punjab (India). 0.84 Tierras extremadamente finas de Egipto 0.56 Sedimento grueso en general 1.00 Arena liviana de poco peso 0.535 Suelo arenoso. 0.587 Marga, limo arenoso 0.641 Azolve más pesado. 0.700

Tabla III.5 Valores de “C”

En la practica se considera el 80% del valor de la velocidad que se obtiene con la fórmula de Kennedy y generalmente se adopta un coeficiente para “C “ de 0.55, teniéndose entonces:

64.0*55.0*8.0 dV =

64.0*44.0 dV =

En los proyectos de los desarenadores, las velocidades que suelen aceptarse, quedan comprendidas entre 0.25 m/seg. y 0.70 m/seg. y hasta ahora los resultados han sido satisfactorios. Este rango de valores se debe, al ajuste que se hace del ancho del canal, para adaptarlo a los tamaños de las compuertas comerciales, cuyos planos tipos, se encuentran en los archivos, o bien, porque se amplía el canal, cuando resulta ser demasiado angosto como se comentó al tratar el tema del área hidráulica del canal.

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Otras recomendaciones en el proyecto del desarenador y que también son resultados de

la experiencia, son las que consideramos de carácter general. De los estudios que se han hecho de las obras construidas, se han obtenido algunas recomendaciones, por ejemplo:

Que la velocidad en el canal desarenador, siempre deberá ser menor que la velocidad en el río, para cuando esté operando la toma. También se debe verificar que la velocidad adoptada para propiciar el depósito de azolves, sea menor que la que tenga el canal de conducción o de riego, e inmediatamente después de las compuertas de la bocatoma.

En diversas obras se han operado con éxito en la India, R. B. Buckley observó, que entre el área hidráulica del desarenador y el área obstruida por la cortina vertedora, existía una relación que variaba entre 1/5 y 1/20, y en una mayoría predominaba la relación de 1/10 (ver fig III.61)

Cortina

Ac de la cortina

Ad

Área del desarenador

Ad de (1/5)Ac a (1/20)Ac

Fig. III.61 Relación de las áreas del desarenador y cortina

Esta observación también se puede considerar al diseñar el desarenador, no obstante, su

aplicación no debe tan rigurosa, ya que por razones económicas, no siempre es posible cumplirla, pues en ocasiones la sección de la corriente obstruida, resulta ser bastante grande, y por otra parte en la eficiencia del desarenador, intervienen otros factores, además del área hidráulica, tales como, posición con respecto a la corriente, elevación con relación al lecho del río, etc. Y además no se sabe en detalle, las condiciones y características de esas obras en la India. III.1.3.1.1.2 SEGUNDA CONDICIÓN: CANAL DESARENADOR ABIERTO

Y BOCATOMA CERRADA

Cuando los azolves se hayan acumulado frente a la toma, las compuertas de ésta deberán cerrarse, y abrirse las del desarenador para establecer un escurrimiento, cuyo principal fin es desalojar los materiales acumulados, en ese sitio, es decir, efectuar la operación de limpieza. Para lograr lo anterior es fundamental que el flujo que se establezca sea con régimen rápido y con velocidad suficiente de arrastre.

96


Pero por otro lado, la velocidad no debe ser tan alta, para no ocasionar erosión a lo largo del canal o socavaciones al pie de la descarga del desarenador que pudiera dañar seriamente la estructura.

Para fijar la pendiente que garantice la velocidad de arrastre suficiente, se pueden considerar dos casos para esta condición de funcionamiento.

a) Se cuenta inicialmente con el gasto normal de derivación. Es obvio que el gasto mínimo con el que se cuenta en cualquier momento, será el gasto de derivación y en este caso en cierto modo es el más desfavorable, para el análisis de esta condición de funcionamiento, ya que para gastos mayores el escurrimiento, será más favorable para lograr el desazolve.

b) Se tiene un gasto mayor que el normal de derivación o que corresponda a un tirante igual al del orificio del desarenador,.

En ambos casos, el análisis se reduce a calcular la pendiente adecuada y en verificar las

velocidades del escurrimiento, para lo cual se deberán contar ya con los siguientes datos: Q = Gasto normal de derivación. b = Ancho de la plantilla. v = Velocidad adoptada para producir arrastre. Para primer caso (a) se tiene:

AvQ *= y para sección rectangular dbA *= luego: dbvQ **=

de donde : bv

Qd*

=

y también : db

dbPAr

2*+

==

Aplicando la formula de Manning, para el calculo de la pendiente, se tiene:

3/22/11 rsn

v =

de donde: 2

3/2

*⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

rnvs

para el Segundo caso (b) tenemos:

dbA *= siendo d = la altura del orificio en el canal desarenador.

97


dbP 2+=

dbdb

PAr

2*+

==

Y la velocidad valdrá:

3/22/11 rsn

v =

La pendiente calculada en el caso anterior será la correcta, cuando esta velocidad quede

entre los valores límites de las velocidades que se adopten como máximas y mínimas del flujo en el desarenador. III.1.3.1.1.2.1 VELOCIDADES RECOMENDADAS.

Basándose en los valores de velocidades que han encontrado algunos investigadores, para no producir erosión en los materiales que forman el canal desarenador, pero que además son capaces de arrastrar los materiales depositados: y de acuerdo con la experiencia de las obras construidas, se han adoptado los valores limites de 2.50 m/seg. a 4.00 m/seg. como velocidades recomendadas para el diseño del canal desarenador, pudiendo aceptarse en algunos casos especiales, la velocidad de 1.50 m/seg.

Esta recomendación toma en cuenta que la mayoría de los casos, los canales desarenadores son revestidos de mampostería o de concreto, no obstante en algunas ocasiones, la descarga el desarenador, pudiera resultar muy larga y por economía convenga revestirlo únicamente, en el primer tramo, esto dependerá material que se tenga, en el sitio donde se ubique y también de la distancia a que se encuentre el tramo con relación a la cortina, y que no se piense revestir.

Se ha pensado, que cuando se requiere velocidades muy altas para remover azolves gruesos, quizá sea necesario revestir la sección hidráulica de la descarga del desarenador, con concreto bastante resistentes e incluso aumentar la protección del revestimiento, por lo menos el piso con niveles de fierro o perfiles laminados de fierro estructural.

A continuación se presenta una tabla de valores de velocidades medias máximas que no erosionan a los materiales que se indican.

98


Material Velocidad en m/seg. Tierra arenosa muy fina o limo suelto 0.61 Arena 0.30 Tierra arenosa ligera, 15% de arcilla 0.37 Barra arenosa ligera, 40% de arcilla 0.55 a 0.61 Arena gruesa 0.46 a 0.61 Tierra suelta con grava 0.76 Barro 0.76 Tierra o barro compactados, 65% de arcilla 0.92 Barro arcilloso estable 1.22 Arcilla con grava, compactas 0.52 a 2.14 Arcilla compacta , jaboncillo 1.83 Conglomerados, esquistos, pizarras 1.98 Roca estratificadas 2.44 Guijarros, cantos rodados chicos 0.44 a 4.07 Roca dura 4.07 Concreto 4.57 a 6.10

Tabla III.6 Velocidades medias máximas que no erosionan a los materiales que se indican

Como podrá observarse, excepto cuando se tenga roca, guijarros y cantos rodados compactados, siempre será necesario revestir o proporcionar otra forma de protección, por ejemplo, mediante zampeados y esto desde luego, estará sujeto en última instancia, al criterio del Ingeniero residente, según observe las excavaciones durante la construcción. Cuando los gastos de derivación normales son relativamente pequeños, los tirantes en el canal desarenador, para esta segunda condición, resultan ser también pequeños y es probable que no se efectúe con eficiencia la limpieza o arrastre de materiales, y por lo tanto la operación de desarene deberá efectuarse en épocas de lluvias. III.1.3.1.2 CONTROLES EN EL CANAL DESARENADOR

Para obturar el canal desarenador se emplean preferentemente las compuertas radiales, (ver fig III.62), por ser estas de mayores dimensiones que las de otro tipo; además de que se facilita la abertura y el cierre.

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B a 2Bmínimo

B

Oreja inferior

Oreja superior

B

mínimoB a 2B

Pantalla

Corona muro Malacate

PernoR

Fig. III.62 Instalación de la compuerta radial

Anteriormente se empleaban con cierre frecuencia y por economía las agujas de madera, pero por su poca efectividad y dificultad de manejo sobre todo en el momento en que se presentan las crecientes, han quedado en desuso, sin embargo en ocasiones, cuando el canal desarenador resulta más o menos ancho y por razones económicas puede dividirse su anchura en dos tramos separados por un muro, (ver fig III.63) instalándose en uno de ellos, una compuerta radial y en el otro un sistema de agujas de madera. Esta practica permite observar el funcionamiento del desarenador cuando principia a operarla obra y definir posteriormente la instalación de la otra compuerta radial o el cierre definitivo de ese tramo.

Ranura para agujasde madera

Compuerta radial

Eje de canaldesarenador

Agujas de madera

Agujas de maderao compuerta radial

Compuerta radial

Fig. III.63 Desarenador con dos orificios 100


Lo que sí se recomienda es instalar agujas o mejor dicho, dejar una preparación para poder instalarlas inmediatamente aguas arriba de la compuerta radial con el objeto de cerrar el paso del agua eventualmente, cuando por alguna circunstancia sea necesario hacerle reparaciones a la compuerta.

Las compuertas radiales que se instalan en un desarenador pueden ser con pantalla o sin esta. Las compuertas con pantalla son preferidas porque ofrecen mejor control en el escurrimiento del desarenador y en el vertedor, menos probabilidades de arrastre de cuerpos flotantes hacia el canal que pueden obturar o deteriorar las compuertas por el lado de aguas abajo; estas compuertas con pantalla generalmente están diseñadas para carga de agua mayores que su altura.

Las compuertas sin pantalla están diseñadas para que el agua brinque sobre ellas y su anchura puede incluirse en la longitud total de la cresta vertedora.

Cuando se usan compuertas sin pantalla el labio superior de la compuerta estando cerrado, deberá coincidir con la elevación de la cresta vertedora y cuando se usen compuertas con pantalla, la elevación de la cresta coincidirá con el labio inferior de la pantalla; en este último caso la compuerta deberá ser más alta en unos 15 o 20 cm. Que la altura del orificio con el fin de efectuar un buen cierre.

Con el objeto de no estar diseñando en cada caso la compuerta radial va a emplear, tomando en cuenta que para ciertas variaciones de carga hidrostática, prácticamente resultaría la misma compuerta, las cuales se fabrican con perfiles de acero estructural, existen en la secretaria de planos tipo de compuertas o que se han empleado en otros proyectos, los cuales pueden elegirse para un proyecto, adaptándolas, de acuerdo con la carga hidráulica a que se vayan a estar sujetas y las dimensiones de anchura y altura que se requieran. En ocasiones si la compuerta que más se adapta tiene un ancho o altura mayor que la que se necesita, puede adaptarse indicándose en el plano de la derivadora y al fabricante de la compuerta lo que se debe de recortar, para que resulte de las dimensiones deseadas. Cuando se adapta una compuerta radial, generalmente se conserva la capacidad del mecanismo elevador puesto que la diferencia es relativamente pequeña.

Si dentro de las compuertas tipo no satisface alguna de ellas para un problema en cuestión, será necesario hacer un diseño particular.

Para ubicar el mecanismo o malacate elevador de las compuertas radiales, se debe pensar que dada la forma de trabajar de estas compuertas en gran parte los esfuerzos que se requieren para elevarla depende de la ubicación del asa donde se jale la compuerta. Los menores esfuerzos en el cable se presentan, cuando este sea tangente a la hoja de la compuerta. Prácticamente esto no es posible cuando la oreja está situada en la parte superior de la hoja; porque la posición cambia a medida que se va elevando.

101

Con la Fig. III.62 se presentan gráficamente dos formas de ubicar el mecanismo elevador estando el asa en el labio inferior o superior de la compuerta, también se indican las dimensiones mínimas recomendadas que se deben tener entre la compuerta radial y el orificio de la toma.


El tipo y capacidad del malacate viene indicados en la relación de los planos tipos de compuertas y pueden ser operados en forma manual o eléctricamente.

En la mayoría de nuestros proyectos se refiere a los malacates operados manualmente, dado el rango de la capacidad, facilidad de operación para el usuario y porque muchas veces no se cuenta con energía eléctrica cercanas, tomando en cuenta la ubicación recóndita de la obra.

Es muy importante estudiar minuciosamente los planos de instalación de las compuertas, y proporcionarlos a las obras para su correcta instalación. III.1.4 OBRAS COMPLEMENTARIAS Las obras complementarias en las presas derivadoras, que podemos mencionar, son generalmente los muros de encauzamiento y obras de seguridad en el canal principal, zampeados en las descargas y revestimiento en las laderas. En otros países cuando las presas se construyen sobre grandes ríos, se pueden tener otro tipo de obras complementarias con el objeto de no perturbar otras finalidades de la corriente, por ejemplo, cuando en el río se explota la cría de peces, se construye lo que se llaman escalas para peces, sobre la cortina vertedora con el objeto de facilitar el paso de los mismos, también en algunas regiones los ríos son empleados para el transporte de madera y para la navegación. En el primer caso se prevé, el paso de los troncos por la cortina, mediante escotaduras en ella, en el segundo pueden ser necesarias las esclusas. En esta tesis trataremos de manera superficial sólo la obra de seguridad en el canal principal. III.1.4.1 OBRA DE SEGURIDAD EN EL CANAL PRINCIPAL: LIMITADOR DEL GASTO Aún cuando se deba tener un control y vigilancia en la operación de las derivadoras, no se descarta la posibilidad de que estando abiertas las compuertas de la obra de toma se presente una o varias avenidas en el río. Esto ocasiona que por las compuertas entre un gasto mayor que el gasto normal de derivación, debido a que la carga hidráulica sobre el orificio aumenta, al aumentar el tirante de agua en el río (ver fig. III.64). 102


N.A.M.E.

H máx

Q0

hn K

h

dn Qc

dmáx

h

Elevación planti-lla del canal

b

Fig. III.64 Gasto máximo en la bocatoma Prever este gasto es importante, ya que el canal de riego se diseña para la capacidad de derivación normal en la toma y un caudal mayor ocasionaría su derrame y posible deterioro al rebasar el bordo libre que se le asigna a cada canal principal una capacidad igual a la del gasto máximo porque resultaría de dimensiones relativamente grandes e innecesarias. Por lo anterior, se acostumbra proyectar una estructura que limite el gasto en el canal, evitando con ello las posibilidades de daños y perjuicios, aguas debajo de este limitador. Desde luego antes de el limitador de gasto, el canal deberá tener la conductividad del gasto máximo y por esto conviene localizar el limitador lo más cerca que sea posible de la bocatoma, para tener en una corta longitud las dimensiones grandes del canal. Como la construcción de un limitador pudiera provocar un fenómeno de remanso que afecte a la bocatoma, es recomendable prever o evitar su efecto en el diseño y localización de estas estructuras. El desfogue de un limitador de gasto se efectúa en el mismo río de aprovechamiento y a veces en un arroyo tal vez aledaño y es recomendable en cualquier caso, guiar la descarga con cuidado para no ocasionar erosiones o socavaciones, pues de suceder esto, se estará desvirtuando el objetivo del limitador ya que se tendrían perjuicios en el canal, en la zona de la estructura limitadora 103

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.4.1 ESTRUCTURA LIMITADORA TÍPICA La estructura más empleada en nuestro medio consiste fundamentalmente en una escotadura o vertedor lateral que se le hace al canal en una de sus paredes, y en casos especiales en ambas, con el fin de que el agua excedente tenga oportunidad de verter. Para una mejor eficiencia de vertido, lo que se hace es darle a la pared de derrame, un perfil conveniente para aumentar el coeficiente “C” de descarga del vertedor y en general casi siempre se adopta un perfil tipo Creager (ver fig. III.65). La elevación de la escotadura se fija de acuerdo con el tirante correspondiente al gasto que se admita pasar por el canal con sus dimensiones normales y aprovechando el bordo libre. Es usual, considerar un gasto máximo (Qmáx) que conduzca el canal, el gasto normal (Qn) aumentado en un 20% a 30%. Con esta convención se consigue disminuir el gasto de diseño del vertedor. Por lo tanto:

nmáxn QCanalQQ 20.130.1 >>

LA

A

dn Plantilla del canal

HElev. cresta

Cresta del vertedorN.A.M.E.

dmáxdn

P E R F I L C O R T E A - A

Fig. III.65 Estructura limitadora típica

104


CAPÍTULO IV ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN

IV.- ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN IV.1 CANAL CON PLANTILLA VARIABLE Para el cálculo de este tipo de canales se requieren los siguientes pasos:

1. Teniendo datos de forma y parámetros del canal se construye la curva del comportamiento del flujo en la superficie libre.

2. Teniendo como datos los parámetros hidráulicos del flujo calcular las características hidráulicas del canal.

Por consiguiente se considera que bajo las condiciones de un flujo turbulento en el canal se toma en cuenta el comportamiento de la trayectoria de la superficie libre del mismo. Para el cálculo de los parámetros el objetivo es determinar la línea de trazo del flujo a través del canal en condiciones turbulentas para lo cual realizamos el siguiente cálculo.

122

2

22

21

2

111

2l

RCAQ

AAgQH +⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=∆

12

2

22

21

2

111

2l

KQ

AAgQH +⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=∆

Donde: DH = Diferencia de tirante en un tramo Q = Gasto (m3/seg)

C = Coeficiente de Chezy = 6/11 Rn⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

l = Longitud del tramo en estudio (m) A = Área (m2) Que nos determina la variación de tirante en un tramo determinado. Por lo tanto el cambio que presenta el flujo en sus secciones a través del canal derivador va a ser más pronunciado, las distancias entre las secciones a analizar la vamos tomando desde el principio del canal (Ver Fig. IV.1)

103


h

hl1

l2

l 3

0

Tirante variable

Tirante normal

Fig. IV.1 Perfil del flujo variable en un tramo

Para el canal derivador con un tirante permanente es conveniente utilizar la fórmula Rrurini:

( ) ( )[ ]1221

212

ηϕηϕηηχ

α−

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

bbgCs

cp

donde: a = Corrector de velocidad y va de 1.00 – 1.10

C = Coeficiente de Chezy = 6/11 Rn⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

g = Aceleración de la gravedad 281.9 seg

m=

c = P = Perímetro mojado (m) b = Ancho de plantilla (m)

0KK=η es el coeficiente de las características para cada una de sus secciones en un tramo

comprendido. K = Característica del gasto RCA= A = Área (m2) R = Radio hidráulico (m) 104

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN K0 000 RCA=

6.0

0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

sVnQh

( )ηϕ = Coeficiente de Bajmet (ver tabla IV.1)

h f(h) h f(h) h f(h) h f(h) h f(h)

Característica de la forma del canal (Sección trapecial) x = 2.00 0 0 0.77 1.020 0.980 2.297 1.20 1.199 1.49 0.813

0.05 0.050 0.78 1.045 0.985 2.442 1.21 1.177 1.50 0.805 0.10 0.100 0.79 1.071 0.990 2.646 1.22 1.156 1.55 0.767 0.15 0.151 0.80 1.098 0.995 3.000 1.23 1.136 1.60 0.733

0.20 0.203 0.81 1.127 1.000 ∞ 1.24 1.117 1.65 0.703 0.25 0.309 0.82 1.156 1.005 2.997 1.25 1.098 1.70 0.675 0.30 0.309 0.83 1.178 1.010 2.652 1.26 1.081 1.75 0.650 0.35 0.365 0.84 1.221 1.015 2.415 1.27 1.065 1.80 0.626

0.40 0.424 0.85 1.256 1.020 2.307 1.28 1.049 1.85 0.605 0.45 0.485 0.86 1.293 1.025 2.197 1.29 1.033 1.90 0.585 0.50 0.549 0.87 1.333 1.030 2.117 1.30 1.018 1.95 0.566 0.55 0.619 0.88 1.375 1.035 2.031 1.31 1.004 2.0 0.549

0.60 0.693 0.89 1.421 1.040 1.966 1.32 0.990 2.1 0.518 0.61 0.709 0.90 1.472 1.045 1.908 1.33 0.977 2.2 0.490 0.62 0.727 0.905 1.499 1.05 1.857 1.34 0.964 2.3 0.466 0.63 0.741 0.910 1.527 1.06 1.768 1.35 0.952 2.4 0.444

0.64 0.758 0.915 1.557 1.07 1.693 1.36 0.940 2.5 0.424 0.65 0.775 0.920 1.589 1.08 1.629 1.37 0.928 2.6 0.405 0.66 0.792 0.925 1.622 1.09 1.573 1.38 0.917 2.7 0.389 0.67 0.810 0.930 1.658 1.10 1.522 1.39 0.906 2.8 0.374

0.68 0.829 0.935 1.696 1.11 1.477 1.40 0.896 2.9 0.360 0.69 0.848 0.940 1.738 1.12 1.438 1.41 0.886 3.0 0.346 0.70 0.867 0.945 1.782 1.13 1.398 1.42 0.876 3.5 0.294 0.71 0.887 0.950 1.831 1.14 1.363 1.43 0.866 4.0 0.255

0.72 0.907 0.955 1.885 1.15 1.331 1.44 0.856 4.5 0.226 0.73 0.928 0.960 1.945 1.16 1.301 1.45 0.847 5.0 0.203 0.74 0.950 0.965 2.013 1.17 1.273 1.46 0.838 6.0 0.168 0.75 0.972 0.970 2.092 1.18 1.247 1.47 0.829 8.0 0.126 0.76 0.996 0.975 2.184 1.19 1.222 1.48 0.821 10.0 0.100

Tabla. IV.1 Valores del coeficiente de Bajmet para un canal de s > 0

105

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Para diferentes distancias que se presenten en el canal de derivación tenemos la siguiente fórmula:

( ) chassh += Donde:

Lhh

a 01 −=

L = Longitud de inicio a la sección analizada El área de la sección para una distancia “s” puede ser calculada con la ecuación Emsebin:

[ ]11 22

1

1

−+=

s

s

evgpeA

Aσ

σ

σ

donde: A = Área (m2) e = 2.718281828

RCg

2ασ = (coeficiente medio de los parámetros de la distancia que se analiza)

s = Distancia entre el tramo inicial y un tramo cualquiera (m)

21 iaip −−= i = pendiente g = Aceleración de la gravedad 281.9 seg

m=

v1 = Velocidad promedio del flujo variable (m/seg) La energía cinemática se calcula con la siguiente fórmula: 106


ksmg

v+=

2

2

Donde:

gvk

gvv

m c

2;

2

21

21

2

=−

=

vc = Velocidad crítica, se puede considerar = v0 v1 = Velocidad de la sección inicial IV.2 EJEMPLO Construir un canal de derivación de sección trapecial con revestimiento de concreto de rugosidad n = 0.017, Q = 5.6 m3/seg, una pendiente (i) s = 0.143, un talud k = 1.0 ,una plantilla inicial b = 1.6 m , una plantilla final de 0.40 cm con el mismos valor de k (ver Fig. IV.2), la longitud entre las secciones es de 9.00 m El bordo libre en la sección será de 0.75 m; según especificaciones de la CFE, mediante el gráfico (fig. 1.5, pág. 2.9.25 del Manual de Diseño de Obras), para un gasto Q = 5.6 m3/seg, corresponde un bordo libre (B.L) de 0.75 m (ver Fig. IV.3).

y = ?

b = 1.6 m

1

Lb = 0.75 m

CL

SECCIÓN 0+000.00

Elev

. Pla

ntill

a =

100.

00

0.15 m 0.15 m

k = 1 k = 1

0.15 m0.15 m

Elev

. Pla

ntilla

= ?

SECCIÓN FINAL

LC

Lb = 0.75 m

1

b = 0.4 m

y = ?

Fig. IV.2 Secciones del Canal de Derivación

107


108

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

12

34

57

1020

3040

5070

100

200

300

4005

0070

010

00

A l t u r a e n m e t r o s

Gas

to e

n m

etro

s cú

bico

s po

r seg

undo

Altu

ra d

e la

ban

quet

a so

bre

lasu

perfi

cie

del a

gua

Altu

ra d

el re

vest

imie

nto

de s

uper

ficie

dur

a, o

de

mem

bran

a en

terra

da s

o-br

e la

sup

erfic

ie d

elag

ua

Altu

ra d

el re

vest

imie

nto

de ti

erra

sob

re la

su-

perfi

cie

del a

gua

Fig.

IV.3

Lib

re b

ordo

par

a ca

nale

s con

reve

stim

ient

os d

e su

perf

icie

dur

a, m

embr

ana

ente

rrad

a y

tierr

a se

gún

U.S

. Bur

eau

of R

ecla

mat

ion

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Como primer paso obtendremos el valor del tirante normal (y), el cual se obtendrá con la aplicación de las fórmulas de continuidad y de Manning, para ello, las velocidades calculadas por continuidad y por Manning deben ser iguales; es decir, al proponer parámetros hidráulicos y geométricos, se debe cumplir:

Ecuación de Continuidad = Ecuación de ManningMc VV =

2/13/21 sRnA

Qh=

donde: Vc = velocidad por continuidad, m/seg Q = gasto, m3/seg A = área hidráulica, m2

( )ykybA += Donde: A = Área (m2) b = Ancho de Plantilla (m) k = Talud y = Tirante normal VM = Velocidad por Manning, m/seg n = coeficiente de rugosidad de Manning, adimensional. P = perímetro mojado

ykbP 212 ++=

Rh = radio hidráulico (m) ( )

ykbykyb

PARh 212 ++

+==

s = pendiente del canal Para obtener la condición Mc VV = , se proponen tirantes que nos permitirán calcular los elementos geométricos; con la aplicación sucesiva de las fórmulas anotadas, llegaremos a un tirante que satisfaga la igualdad (dicho tirante es conocido como tirante normal, “y”).

En la siguiente página se muestran los resultados obtenidos de la aplicación de las ecuaciones arriba mostradas. 109


110

b

y 1

k

TLb

Fig. IV.4 Sección del canal

DATOS n = 0.017 s = 0.143

Q = 5.60 m3/seg

Lb = 0.75 m b = 1.60 m

D (Tolerancia) = 0.05

k = 1.00

y A P Rh Velocidad m/s

m m2 m m Manning Continuidad D Observación

0.328 0.6324 2.5277 0.2502 8.8324 8.8552 0.0228 OK 0.329 0.6346 2.5306 0.2508 8.8465 8.8245 0.0220 OK 0.330 0.6369 2.5334 0.2514 8.8606 8.7926 0.0680 Ajustar

Por lo tanto y = 0.329 (tirante normal)

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Ahora bien, procedemos a calcular la ubicación de las secciones cuyo ancho de plantilla equivale a los siguientes valores:

Plantilla

del tirante (m)

1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40

Como primer operación calculamos el perímetro mojado (P) para cada ancho de plantilla mediante la ecuación:

ykbP 212 ++= Obteniendo:

Perímetro Mojado P (m)

2.53 2.33 2.13 1.93 1.73 1.53 1.33

Calculando el Radio hidráulico (Rh) para cada ancho de plantilla mediante la ecuación:

( )ykb

ykybPARh 212 ++

+==

Radio

Hidráulico Rh (m)

0.251 0.244 0.236 0.226 0.215

0.2 0.18 111

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Calculando el Coeficiente de Chezy (C) para cada ancho de plantilla:

Coef. Chezy

46.719 46.5

46.242 45.909 45.529 44.984 44.201

nR

C h6/1

=

La siguiente operación es el cuadrado del Coeficiente de Chezy (C2)

C2

2183 2162 2138 2108 2073 2024 1954

Proseguimos con el cálculo del cociente del producto del coeficiente de Chezy elevado al cuadrado por el corrector de velocidad dividido entre el producto de la aceleración de la gravedad por el perímetro mojado:

96.8 104

112.6 122.5 134.4 148.3 164.7

PgC 2α

112


Obteniendo promedios mediante la ecuación: 2

1

22

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

iiPg

CPg

C αα

cpPgC

⎥⎦

⎤

⎣

2α⎢⎡

100.4 108.3 117.6 128.5 141.4 156.5

Calculando la característica del gasto para cada ancho de plantilla:

Característica del gasto

14.7 13.1 11.2 9.6 7.8 6.2 4.5

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

nR

AK h3/2

Con s

QK =0 obtenemos el valor de h (“eta”)

0.99 0.89 0.76 0.65 0.53 0.42 0.3

0KK

=η

113

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Obteniendo las diferencias entre plantillas analizadas:

(m)

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

1+− ii bb

De misma manera para los coeficientes h (“eta”)

0.100 0.130 0.110 0.120 0.110 0.120

1+− ii ηη

Considerando los coeficientes h (“eta”) mediante la tabla IV.1 e interpolando los valores correspondientes obtenemos:

2.646 1.421 0.996 0.775 0.591 0.448 0.309

( )iηϕ

114

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO IV: ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN Concluyendo con las operaciones mostradas en los encabezados abajo mostrados, obtenemos las distancias (Ds) a partir de la primera sección donde se localizan las secciones cuya plantilla se especificó:

115

(m)

0.00 1.225 254.8000 254.80 0.425 73.6231 328.42 0.221 49.2227 377.64 0.184 41.2160 418.86 0.143 38.5580 457.42 0.139 38.1555 495.58

Como puede observarse, la longitud del canal es de 495.58 m el cual no cumple con la longitud especificada de 9.00 m, por lo que realizamos varios cálculos incrementando el tirante hasta un y = 0.88 m que cumple con la longitud mencionada. A continuación, se muestran las operaciones para y = 0.88 m

Coef. Chezy

Plantilla Perímetro Mojado

Radio Hidráulico

del tirante (m) P (m) Rh (m) C2

1.60 4.09 0.534 52.984 2807 77 1.40 3.89 0.516 52.682 2775 80 78.5 1.20 3.69 0.496 52.336 2739 83.2 81.6 1.00 3.49 0.474 51.941 2698 86.7 85 0.80 3.29 0.449 51.474 2650 90.3 88.5 0.60 3.09 0.422 50.945 2595 94.2 92.3 0.40 2.89 0.39 50.28 2528 98.1 96.2

Característica

del gasto

A

(m2)

(m)

2.18 84.4 14.8 5.7 0.179 2.01 76.1 14.8 5.14 0.20 0.560 0.198 1.83 67.5 14.8 4.56 0.20 0.580 0.223 1.65 59 14.8 3.99 0.20 0.570 0.256 1.48 51 14.8 3.45 0.20 0.540 0.299 1.3 43 14.8 2.91 0.20 0.540 0.359

( ) ( )ii ηϕηϕ −+1 ( ) ( )[ ]1221

212

ηϕηϕηηχ

α−

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

bbgCs

cp

1++∆= ii sss

PgC 2α

Pgα

cpPgC

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ 2α

nR

C h6/1

=

sQK =0

0KK

=η1+− ii bb

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

nR

AK h3/2

( )iηϕ1+− ii ηη


116

1.13 35.5 14.8 2.4 0.20 0.510 0.444

(m)

0.00 0.019 0.5429 0.54 0.025 0.7172 1.26 0.033 1.0039 2.26 0.043 1.4381 3.70 0.060 2.0933 5.79 0.085 3.2700 9.06

( ) ( )ii ηϕηϕ −+1 ( ) ( )[ ]1221

212

ηϕηϕηηχ

α−

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=∆

bbgCs

cp

1++∆= ii sss

Concluyendo que con el tirante y = 0.88 m se tiene una longitud del canal de 9.06 m ≈ 9.00 m. IV.3 ANÁLISIS HIDRÁULICO Ahora procedemos a realizar un análisis hidráulico utilizando el software HEC-RAS 3.1.1, del Centro de Ingeniería Hidrológica (Hydrologic Engineering Center) del cuerpo de ingenieros de la armada de los EE.UU. (US Army Corps of Engineers), con el fin de revisar principalmente la velocidad. A continuación se muestra cada sección, así como sus coordenadas introducidas en el software HEC-RAS 3.1.1.

Plantilla Lb Elevación (z) Cadenamiento

del tirante (m) m (m) (m) 1.60 0.750 100.00 0+000.00 1.40 0.750 99.92 0+000.54 1.20 0.750 99.82 0+001.26 1.00 0.750 99.68 0+002.26 0.80 0.750 99.47 0+003.70 0.60 0.750 99.17 0+005.79 0.40 0.750 98.7 0+009.06


SECCIÓN 0+000.00 X Y

-2.58 101.63 -2.43 101.63 -0.8 100

0 100 0.8 100

2.43 101.63 2.58 101.63

Fig. IV.5 Sección 0+000.00


-2.53 101.6 -2.38 101.6 -0.7 99.92

0 99.92 0.7 99.92

2.38 101.6 2.53 101.6


117

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+000.00

Ele

vaci

ones

Elev. = 100.00

102.50

103.00

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+000.54

Ele

vaci

ones

102.50

103.00

Elev. = 99.92



-2.49 101.56 -2.34 101.56 -0.6 99.82

0 99.82 0.6 99.82

2.34 101.56 2.49 101.56



-2.45 101.48 -2.3 101.48 -0.5 99.68

0 99.68 0.5 99.68 2.3 101.48

2.45 101.48


118

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+001.26

Ele

vaci

ones

102.50

103.00

Elev. = 99.82

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+002.26

Ele

vaci

ones

102.50

103.00

Elev. = 99.68



-2.41 101.33 -2.26 101.33 -0.4 99.47

0 99.47 0.4 99.47

2.26 101.33 2.41 101.33



-2.38 101.1 -2.23 101.1 -0.3 99.17

0 99.17 0.3 99.17

2.23 101.1 2.38 101.1

Fig. IV.10 Sección 0+005.79 119

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+003.70

Ele

vaci

ones

102.50

103.00

Elev. = 99.47

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+005.79

Ele

vaci

ones

98.50

98.00

Elev. = 99.17



-2.36 100.71 -2.21 100.71 -0.2 98.7

0 98.7 0.2 98.7

2.21 100.71 2.36 100.71

Fig. IV.11 Sección 0+009.06 120

100.00

0.00-0.50-1.00-1.50-2.00-2.50-3.00 0.50 1.00 2.00 3.001.50 2.50

100.50

101.00

101.50

102.00

99.50

99.00

CL

SECCIÓN 0+009.06

Ele

vaci

ones

98.50

98.00

Elev. = 98.70


0.54

0.72

1

1.44

1

2.09

3.27

0.72

0.54

1.44

2.09

3.27

0.54

0.72

1

1.44

2.09

3.27

SECCIÓN 0+000.00

SECCIÓN 0+000.54

SECCIÓN 0+001.26

SECCIÓN 0+002.26

SECCIÓN 0+003.70

SECCIÓN 0+005.79

SECCIÓN 0+009.06

s = 0.143

Fig. IV.12 Planta del canal de derivación 121


Realizada la modelación en el software obtenemos los siguientes resultados:

HEC-RAS Plan: Plan 01 River: Canal de Derivac Reach: Gonz@lo Profile: PF 1

Q Total Min Ch El

W.S. Elev

Crit W.S.

E.G. Elev

Vel Chnl

Flow Area

Top Width

Froude # Chl Km River Sta Profile

(m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/s) (m2) (m) 0+000.00 7 PF 1 5.6 100 100.88 100.88 101.22 2.57 2.18 3.36 1.02 0+000.54 6 PF 1 5.6 99.92 100.78 100.85 101.2 2.9 1.93 3.11 1.18 0+001.26 5 PF 1 5.6 99.82 100.68 100.8 101.19 3.17 1.77 2.92 1.3 0+002.26 4 PF 1 5.6 99.68 100.54 100.73 101.17 3.51 1.59 2.72 1.46 0+003.70 3 PF 1 5.6 99.47 100.32 100.58 101.13 3.99 1.4 2.5 1.7 0+005.79 2 PF 1 5.6 99.17 100.02 100.36 101.07 4.54 1.23 2.3 1.98 0+009.06 1 PF 1 5.6 98.7 99.55 99.96 100.96 5.25 1.07 2.1 2.35

Gráficamente en cada sección la tabla arriba mostrada, se tiene:

122


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004 Inicio Aguas Arriba 0+000.000

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004 0+000.54

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


123


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


124


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6


Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


125


-3 -2 -1 0 1 2 3

98.6

98.8

99.0

99.2

99.4

99.6

99.8

100.0

100.2

100.4

100.6

100.8

101.0

101.2

101.4

101.6

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004 Final Aguas abajo 0+009.06

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.017


7

6

5

4

3

2

1

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004 Legend

WS PF 1

Ground

Bank Sta

Fig. IV.20 Perspectiva del Canal de Derivación 126


0 2 4 6 8 1098.5

99.0

99.5

100.0

100.5

101.0

101.5

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 1

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Canal de Derivac Gonz@lo

Fig. IV.21 Perfil

127


0 2 4 6 8 102.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Canal de derivación y=0.88 m Plan: Plan 01 26/11/2004

Main Channel Distance (m)

Vel

Lef

t (m

/s),

Vel

Chn

l (m

/s),

Vel

Rig

ht (m

/s)

Legend

Vel Chnl PF 1

Gonz@lo

Fig. IV.22 Gráfica de Distancia v.s. velocidad

128


CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES V.1 CONCLUSIONES En el capítulo uno se concluye que las obras hidráulicas de derivación, son aquellas que se erigen con el objeto de aprovechar las aguas superficiales en forma controlada y sin alterar el régimen de la fuente de abastecimiento, disponiéndolas de tal manera que se puedan conducir hasta el sitio de utilización ya sea por gravedad o bombeo. De acuerdo con lo anterior y considerando las características, tanto de la fuente de aprovechamiento como de la obra, se tienen los siguientes distintos tipos de obras de derivación. En el caso de una presa de derivación, puesto que el gasto del canal es una parte relativamente pequeña de los caudales del río, las presas de derivación deben ser del tipo de:

- Vertedero

128

- De Compuerta

Las presas proyectadas con compuertas para permitir el paso de las crecidas se denominan a veces, presas móviles. Generalmente tienen varios vanos separados por pilares que soportan el puente de maniobra. El caudal entre pilares puede ser regulado por pantallas abatibles, compuertas Stoney, de segmento, cilíndricas o de sector.

Las presas-vertedero pueden variar desde las barreras bajas, hasta las costosas presas

de arco o gravedad, de hormigón. El tipo más conveniente de presa de derivación, para un emplazamiento dado, depende

de la altura del azud, de las condiciones de la cimentación, de las características de la corriente, de la inundación admisible aguas arriba, de los materiales de construcción disponibles y del importe del gasto justificable. Los tipo de vertedero son convenientes desde el punto de vista del material flotante, puesto que ofrecen menor obstrucción al paso de troncos, ramaje y residuos varios. Las instalaciones con compuertas son ventajosas desde el punto de vista de los problemas de sedimentación, puesto que los depósitos formados aguas arriba de la presa son arrastrados hacia abajo durante los períodos de crecida. Las instalaciones con compuertas son también ventajosas desde el punto de vista de explotación del canal, pues permiten una cierta regulación del nivel del río en las estructuras de toma.

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Por otro lado, en el capítulo dos, de acuerdo a lo expuesto, habitualmente se piensa en una captación por derivación, cuando el gasto normal que se pretende aprovechar es igual o mayor que el necesario para satisfacer la demanda de algún problema en cuestión y es claro que se adoptará una obra de almacenamiento cuando el gasto de la corriente sea menor que el gasto requerido. Las fuentes de abastecimiento que se aprovechan para construir este tipo de obras son principalmente: arroyos, ríos, lagunas y manantiales. En algunas ocasiones se combina la captación de los escurrimientos superficiales con la de las aguas subálveas.

Una de las primeras y principales actividades de la ingeniería civil es la construcción de presas. Todas las grandes civilizaciones se han caracterizado por la construcción de embalses para suplir sus necesidades, en las primeras épocas para satisfacer las demandas de irrigación surgidas del desarrollo y expansión de la agricultura organizada. Es por ello que en el capítulo tres se concluye que cada presa es una estructura única. Independientemente de su tamaño y tipo, su respuesta a las cargas y su relación interactiva con la hidrología y geología del sitio son de gran complejidad. Por esto, y como reflejo de la naturaleza más o menos indeterminada de muchas de las variables de diseño más importantes, la ingeniería de presas no es una ciencia formal y definida. Tal como se practica, es una actividad de gran especialización que se nutre de muchas disciplinas científicas y las equilibra teniendo en cuenta un elemento bastante importante: el criterio ingenieril. Por tanto, es importante conocer las bases mínimas para facilitar la labor de las personas relacionadas con el proyecto de una de las obras de derivación más importantes en México: las presas de derivación Los sistemas de riego alimentados con derivación por gravedad de las corrientes naturales requieren usualmente la construcción de azudes cerca de los límites superiores de los terrenos de regadío, con efecto de elevar lo suficiente el nivel del río para permitir la derivación regulada de los caudales requeridos por el canal. Cuando se dispone de dos o más puntos de emplazamiento, la ubicación del azud debe determinarse sobre la base de consideraciones económicas. Ordinariamente, la adopción de un emplazamiento superior permite una reducción de la altura del azud, puesto que el canal puede construirse con rasante menos inclinada que la pendiente del río. Los azudes deben proyectarse como presas. Los azudes de hormigón con cimentación sobre roca deben asegurarse contra los peligros de deslizamiento, vuelco, aplastamiento o ruptura por tensión. Los cálculos deben comprender márgenes adecuados para la subpresión, el choque y las fuerzas dinámicas, así como para el empuje horizontal y la carga vertical del agua y el peso propio. Las presas sobre arena, grava y otros tipos de material, deben asegurarse contra los mismos esfuerzos, debiendo tener suficiente resistencia de apoyo, adecuada longitud de infiltración y conveniente protección contra la erosión. 129

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En el capítulo cuatro se expone una metodología para el cálculo de un canal de derivación de plantilla variable; la cual consiste en lo siguiente: de acuerdo con los intervalos del ancho de plantilla que se analicen procedemos a calcular el perímetro mojado (P) para cada ancho de plantilla, teniendo el perímetro de cada sección calculamos el Radio hidráulico (Rh) para cada ancho de plantilla. La siguiente operación es el Cálculo el Coeficiente de Chezy (C) para cada ancho de plantilla correspondiente para proceder con la siguiente operación que es el cuadrado del Coeficiente de Chezy (C2) Proseguimos con el cálculo del cociente del producto del coeficiente de Chezy elevado al cuadrado por el corrector de velocidad dividido entre el producto de la aceleración de la gravedad por el perímetro mojado. Obteniendo el cociente antes mencionado obtenemos promedios de sus valores. Ahora bien, se calcula la característica del gasto para cada ancho de plantilla. Con

sQK =0 (característica del gasto para el ancho de plantilla inicial) obtenemos el valor de h

(“eta”) que corresponde al cociente de la característica del gasto para cada ancho de plantilla dividido entre característica del gasto para el ancho de plantilla inicial Lo que prosigue es Obtener las diferencias entre plantillas: la analizada y la consiguiente, al igual con los coeficientes h (“eta”) Considerando los coeficientes h (“eta”) mediante la tabla IV.1 se interpola los valores correspondientes para obtener f(h) correspondiente para cada plantilla analizada. Finalmente, introduciendo los valores calculados en la fórmula de Rrurini obtenemos las distancias (Ds) a partir de la primera sección donde se localizan las secciones cuya plantilla se especificó: En el cálculo de las distancias (Ds) que existen entre la sección inicial y las secciones analizadas utilizando la fórmula Rrurini, se observó a través de varios cálculos que la longitud del canal es inversamente proporcional a la altura del tirante en la sección inicial. Debido al estrechamiento que sufre el canal aunado a grandes pendientes del canal el perfil que adopta la superficie libre, es de tipo supercrítico (ver Fig. IV.21). Debido a que la velocidad a lo largo de los canales de plantilla variable no es constante, el flujo es del tipo variable caso contrario a lo que ocurre en un flujo uniforme donde existe una igualdad de pérdidas por fricción entre dos secciones cualesquiera con el desnivel entre ellas.

130

OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES V.2 RECOMENDACIONES Los canales deben de ir revestidos con concreto, o de materiales térreos escogidos, cuando se excavan a través de terrenos porosos de arena o grava en los cuales pueden presentarse pérdidas por infiltración relativamente elevadas. Para evitar la infiltración, en diversos canales ha sido empleado con eficacia el revestimiento con tierra, consistiendo dicho revestimiento en una mezcla de arcilla, arena y grava. El revestimiento de concreto puede ser necesario cuando fuertes pendientes longitudinales provocan el transporte de agua a velocidades relativamente altas, o en trincheras profundas en las cuales el costo de excavación, obtenida al llevar el agua a gran velocidad, sobrepasa el costo del revestimiento. Los canales revestidos son usualmente preferibles desde los puntos de vista de explotación y mantenimiento. Al emplear la fórmula de Rrurini para el cálculo de la longitud del canal de derivación, si es factible modificar la geometría de las secciones inicial y final, una manera de reducir la longitud del canal de derivación Calculada con la fórmula de Rrurini, es incrementar el talud Cuanto mayor sea la diferencia en longitud de plantillas entre la sección inicial y final, mayor es la longitud del canal utilizando la fórmula Rrurini; para evitar longitudes excesivas o lograr alguna especificada, se recomienda incrementar el tirante en la sección inicial teniendo cuidado en implementar una estructura de control que garantice que el tirante en el inicio del canal sea igual al propuesto en el análisis utilizando la fórmula de Rrurini, para que exista congruencia entre el proyecto y la realidad. Cuando la pendiente es demasiado pronunciada, es lógico deducir que las velocidades aguas abajo de la sección inicial del canal serán excesivas; cuando esto suceda y no es factible modificar la pendiente del canal, se recomienda implementar disipadores de energía que pueden ser dientes, escalones, trampolines, cunetas disipadoras los cuales están en función de la realización de un modelo. Esto se menciona de manera superficial ya que lo extenso del a bordo del tema es motivo de otra tesis.

131


BIBLIOGRAFÍA

OBRAS DE DERIVACIÓN BIBLIOGRAFÍA

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5. Obras Hidráulicas Torres Herrera Francisco, Ed. LIMUSA

6. Tratado de hidráulica aplicada

Calvin Víctor Davis, Ed. LABOR S.A.

7. Presas de Derivación Velasco Sánchez Ing. Octavio, Secretaría de Recursos Hidráulicos 8. Presas de Derivación Modelo México 4 Velasco Sánchez Octavio. Secretaría de Recursos Hidráulicos 9. Hidráulica de Canales Sotelo Ávila Gilberto. Facultad de Ingeniería UNAM 10. Manual de Diseño de Obras Civiles. CFE

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