DISEÑO DE BOCATONA BARRAJE MIXTOTipo de Bocatoma: El tipo de bocatoma que hemos considerado en muestro proyecto es de Barraje Mixto, el cual consta de: (a) Una presa derivadora impermeable (concreto ciclópeo) (b) Un frente de regulación y limpia, perpendicular al sentido de la corriente (c) Un frente de captación Caudales de diseño: Qrio = 970.00 m³/s CAUDAL DEL RIO Qderivacion = 19.32 m³/s CAUDAL DE DISEÑO DEL CANAL Qdiseño = 970.00 m³/s Cálculo del Coeficiente de Rugosidad: 1.- Valor basico de rugosidad por cantos rodados y arena gruesa 2.- Incremento por el grado de Irregularidad (poco irregular) 3.- Incremento por el cambio de dimenciones ocasionales 4.- Aumento por Obstrucciones por arrastre de raices 5.- Aumento por Vegetacion n= 0.048 Determinación de la Pendiente en el lugar de estudio: El calculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, esta pendiente está comprendida entre los tramos de un kilometraje. Km Cota -1.9 0+1000.00 140.08 0+0.00 141.98 -1000.00 Ancho de Plantilla (b) = 180.00 m En función a la topografía dada y procurando que la longitud del Pendiente (S) = 0.0060 barraje conserve las mismas condiciones naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su régimen. Cotas y Altura del Barraje: 1. Calculo de la cota de Cresta del Aliviadero: 1.1. Cálculo de la Altura del Barraje P: Datos : Q= 970.00 m³/s b= 180.00 m INTERACCION PARA ALTURA DE BARRAJE n= 0.048 S= 0.0060 Por tanteo : D ( m) Q.n/√S b.d. 〖 ((b.d)/ (b+2d)) 〗 ^(2/3) 2/3 1.00 601.0870 178.6789 1 Q .n b.d Q= . R 2/ 3 . S 1/2 . A n S 1/2 ( ) =(b . d ) b+2d 1.30 2.08 601.0870 601.0870 276.0743 600.8456 601.09 = 600.85 P= 2.10 m h sedimento: También llamado Altura del Umbral del vertedero de captación. ho = 0.65 m Co= cota del lecho detrás del barraje vertedero ho= altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se recomienda ho ≥ 0.60 m) h= altura que necesuta la ventana de captacion para poder captar el caudal de derivacion Qd (asumir que funciona como vertedero) 0.20 sumando de seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de la formula, pudiendo ser mayor de ser posible. 121.10 0.20 m 1.3 P= 2.10 m 0.65 m 119.00 2. Longitud del barraje fijo y del barraje movil a. Dimensionamiento: a.1 Por relacion de areas El area hidraulica del canal desarenador tiene una relacione de 1/10 del area obstruida por el aliviadero, teniendose : N de pilares = 3.00 A1 = A2 /10 …………(1) donde: A1 = Area del barraje movil A2 = Area del barraje fijo N de compuertas = 3.00 P A1 A2 180 - Lbm Lbm 180m A1 = P x Lbm A2 = P ( 180 - 2Lbm ) Remplazando estos valores, tenemos que: P x Lbm = Px (180 - 2Lbm)/10 2.1 x Lbm = 2.1 x ( 180 - Lbm )/10 A) LONGITUD DE BARRAJE MOVIL (Lbm) Lbm = 13.62 m B) LONGITUD DE BARRAJE FIJO (Lbf) Entonces : Lbf = 180 - Lbm = 166.38 m C) LONGITUD DE COMPUERTA DEL CANAL DESARENADOR (Lcd) Lcd = Lbm/3= 4.54 m Se usara 3 Compuertas radiales de: 197 plg x 150 plg Lcd = 5.00 m a.3 Predimensionamiento del espesor del Pilar (e) e = Lcd /4 = 1.25 m Consideramos : e= 1.30 m Dimension del barraje fijo: Ltbf = 161.09 m b. Resumen: P = 2.10 m ESPESOR DEL PILAR 1.30 m 1.30 m 1.30 m LONG. COMPUERTAS 5.00 m 5.00 m 5.00 m LONGUITUD DEL BARRAJE MOVIL 18.90 m LONGITUD DEL BARRAJE FIJO 161.09 m 3. Cálculo de la Carga Hidráulica: hv H he hd h1= V1² / (2g) P= 2.10 m d2 d1 Donde: H: Carga de Diseño he: Altura de agua antes del remanso de depresión hv: Carga de Velocidad P: Altura de barraje Q diseño = Qc + Qcl …………….(A) a. Descarga en el Cimacio en el barraje fijo (Qc) La fórmula a utilizar para el cálculo de la carga del proyecto es: Qc = C x L x H3/2 …………….(B) Qc: Dercarga del Cimacio C: Coeficiente de Descarga L: Longitud Efectiva de la Cresta He: Carga sobre la cresta incluyendo hv La longitud efectiva de la cresta (L) es: L = Lr - 2 ( N x Kp + Ka) x H …………….(C) Donde: L = Longitud efectiva de la cresta H = Carga sobre la cresta . Asumida 1.20 Lr = Longitud bruta de la cresta = 161.09 LONGITUD DE BARRAJE FIJO N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero = 1.00 (Que es este valor) Kp = Coef. de contrac. de pilares 0.00 VER TABLA 1 Ka = Coeficiente de contraccion de estribos 0.10 VER TABLA 2 "H" se calcula asumiendo un valor , calcular el coeficiente de descarga "C" y calcular el caudal para el barraje fijo y movil. El caudal calculado debe ser igual al caudal de diseño. Reemplazando en la ecuación la Longitud efectiva para H asumido es: L = 160.85m Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control: C = Co x K1 x K2 x K3 x K4 …………….(D) Los valores del 2º miembro nos permiten corregir a "C" sin considerar las pérdidas por rozamiento: En los gráficos, encontramos las definiciones y la forma de encontrar estos valores. a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H = 1.75 Co = 3.945 VER ABACO N° 01 b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H he/H = 1.00 K1 = 1.00 VER ABACO N°02 c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H = 1.75 K2 = 1.00 VER ABACO N°03 d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho = (P+Ho)/Ho= 2.75 K3 = 1.00 VER ABACO N°04 e) Por efecto de sumergencia: Hd / he = 2/3 Ho/ Ho = 0.67 K4 = 1.00 VER ABACO N°06 * Remplazamos en la ecuación (D): C = 3.95m * Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que: Qc = 834.13 m³/s b. Descarga en canal de limpia o barraje movil (Qcl) Se considera que cada compuerta funciona como vertedero, cuya altura P= P = 2.10 Para ello seguiremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos las siguientes fórmulas: Qcl = C * L'' * hi3/2 L = L1 - 2 ( N * Kp + Ka) x h Donde : L = Longitud efectiva de la cresta h = Carga sobre la cresta incluyendo hv 3.30 m. L1 = Longitud bruta del canal 15.01 m. COMPUERTAS LONG. TOTAL N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero 0.00 Kp = Coef. de contrac. de pilares (triangular) 0.00 VER TABLA 1 Ka = Coeficiente de contraccion de estribos 0.10 VER TABLA 2 L = 14.35m * Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control: C= Co x K1 x K2 x K3 x K4 …………….(D) a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/h = 0.636 Co = 3.84 VER ABACO N° 01 b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H he/h = 1.00 K1 = 1.00 VER ABACO N°02 c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/h = 0.636 K2 = 0.70 VER ABACO N°03 d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho = (P+ho)/ho= 1.64 K3 = 0.70 VER ABACO N°04 e) Por efecto de sumergencia: Hd / he = 2/3 ho/ ho = 0.67 K4 = 1.00 VER ABACO N°06 * Remplazamos en la ecuación (D): C = 1.88m * Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que. Qcl = 161.9 m³/s c. Descarga Máxima Total (Q ): T Qt = Q c + Q cl Qt = 996.01 m³/s Qd = 970.00 m³/s Este valor no cumple con el caudal de diseño, tendremos que asumir otro valor de "H" Siguiendo este proceso de iteracion con el tanteo de "H" resultan los valores que aparecen en el cuadro de la siguiente. En este cuadro iterar hasta que Qt = 970.00 m³/s CUADRO PARA EL PROCESO ITERATIVO Ho (m) Co K1 K2 K3 K4 L efect. Qc - Qcl QT 1.20 3.95 1.00 1.00 1.00 1.00 160.85 834.13 996.01 3.84 1.00 0.70 0.70 1.00 14.35 161.88 1.17 3.94 1.00 1.00 1.00 1.00 160.85 802.06 995.10 3.84 1.00 0.77 0.77 1.00 14.36 193.04 1.15 3.84 1.00 1.00 1.00 1.00 160.86 760.78 952.10 3.84 1.00 0.77 0.77 1.00 14.36 191.32 1.10 3.93 1.00 1.00 1.00 1.00 160.87 729.38 916.92 3.85 1.00 0.77 0.77 1.00 14.37 187.54 Entonces mediante este gráfico interativo determinamos la carga de diseño 1.22 Q M vs Ho 1.20 1.18 Ho (m) 1.16 1.14 1.12 Ho = 1,20 m Qt = 970,00 m³/s 1.10 1.08 1.06 1.04 850.00 900.00 950.00 1000.00 1050.00 1100.00Q (m3/s) 1150.00 1200.00 1250.00 1300.00 1350.00 1400.00 Ho = 1.20 m Ho vs Qc 860.00 840.00 834.13 Qc (m3/s) 820.00 800.00 802.06 780.00 760.00 740.00 729.38 720.00 700.00 680.00 660.00 0.00 0.50 Ho (m) 1.00 1.50 2.00 (aliviadero) Para Ho = 1.20 m Qc = 833 m³/s (canal de limpia) Q cl (2 compuertas)= Qcl = 137.00 m³/s 8.4. Cálculo de la Cresta del Cimacio: 121.10 m.s.n.m. Ho = 1.20 m Xc Yc R P = 2.10 m Ø R 119.00 m.s.n.m. La sección de la cresta de cimacio, cuya forma se aproxima a la superficie inferior de la lámina vertiente que sale por el vertedor en pared delgada, constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas, dependiendo de la carga y de la inclinación del paramento aguas arriba de la sección. Considerando a los ejes que pasan por encima de la cresta, la porción que queda aguas arriba del se define como una curva simple y una tangente o una curva circular compuesta; mientras la porción aguas abajo origen está definida por la siguiente relación: n Y X Ho = Kx ( Ho ) En las que "K" y "n" son constantes que se obtienen de la Figura 1. Determinación del caudal unitario: (q) q= Qc / Lc = 5.17 m3/s/m Velocidad de llegada (V): V= q /(Ho+P)= 1.57 m/s Carga de Velocidad hv = V2/2g = 0.13 m Altura de agua antes del remanso de depreción (he): he = Ho - hv = 1.07 m Determinación de "K" y "n" haciendo uso de la Fig. 1 y la relación hv/Ho: hv/Ho= 0.104 K= 0.511 VER ABACO Nº08 Talud: Vertical n= 1.832 VER ABACO Nº07 Valores para dibujar el perfil aguas abajo: Perfil Creager Según la figura 2 de la Separata la Curva del Perfil Creager es hasta una distancia igual a 2.758Ho, des- pués de este límite se mantiene recto hasta la siguiente curva al pie del talud (aguas abajo): X (m) Y (m) 2.758 Ho= 3.3096 0.000 0.00 0.100 -0.01 0.300 -0.05 Pagina # 80 Formula 5-1 0.500 -0.12 0.700 -0.23 0.900 -0.36 1.100 -0.52 1.300 -0.71 1.500 -0.92 1.700 -1.16 1.900 -1.42 2.100 -1.71 2.300 -2.02 2.500 -2.35 PERFIL CREAGER 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 -2.50 La porción del perfil que queda aguas arriba de la cresta se ha considerado como una curva circular compuesta. Los valores de R1, R2, Xc, Yc se dan en la fig. 1.c de la separata: Con hv/Ho: 0.104 ingresamos a los nomogramas, de donde se obtiene: Xc/Ho= 0.223 Xc= 0.27 m FALTA VER ABACO Nº09 Yc/Ho= 0.059 Yc= 0.07 m R1/Ho= 0.440 R1 = 0.53 m R2/Ho= 0.361 R2 = 0.43 m 0.0948 Ubicación de los elementos para el dibujo de la curvatura aguas arriba: a a R2 a R2 d c R1 b Talud R1-R2 Vertical 8.5. Cálculo de los Tirantes Conjugados: 1 2 3 Dc = 1.40 m hd h1 P = 2.10 m d2 d1 Poza disipadora Lp Aplicando la Ecuacion de Bernoulli entre los puntos 1 y 2: Tenemos: z + dc + hvc = d1 + hv1 + Σhp Σhp: pérdidas de energía (por lo general se desprecian, debido a su magnitud) Determinación del tirante Crítico: dc = (Q2/gB2)1/3 dc= 1.397 m Cálculo de la Carga de Velocidad Crítica: vc =√(g*dc) Vc= 3.702 m/s hvc= 0.698 m Reemplazando obtenemos el tirante conjugado d 1: z + dc + hvc = d1 + q2/(2*g*d12) q = Q/B q= 5.17 4.20 d1 + 1.36 / d12 d13 - 4.20 1.36 = 0 d1 = 0.27 m d1 2 + Determinación del Tirante Conjugado 2: d2 V 1= 19.15m/s d 2 =− d1 2 + √ ( d 1 4 2 + 2 v2 1 d1 g ) d2 = 4.4 m Determinación del Número de Froude: v1 F = 11.77 Este valor vuela F= √ g∗d 1 Este es un resalto inestable. Cuyo oleaje producido se propaga hacia aguas abajo. Entonces podemos profundizar la poza en una profundidad = 1.80 m z + dc + hvc + e = d1 + q2/(2*g*d12) d13 - 6.00 d1 2 + 1.36 = d1 = 0.4980 m 0.000 = 0 0 V 1= 10.38m/s hv1= 5.50 m √ d 2 d1 1 2 2 v1 d1 d 2 =− + ( + ) d2 = 2 4 g 3.07 m v1 F= F= 4.70 √ g∗d 1 8.6. Cálculo del Radio de Curvatura al pie del Talud: Esta dado por la ecuación: R = 5d1 R= 2.49 m 8.7. Longitud del estanque amortiguador o poza de disipación: a) Número de Froude: * Con el valor de F, se puede determinar el tipo de Estanque que tendrá la Bocatoma, el cual según la se para F será: F= 4.70 V 1= 10.38 U.S Bureau of Reclamation L/d2= 6.00 Lp= 18.414 m 3.34 Pagina #31 ing. Alfredo Mansen Valderrama b) Según Schoklitsch: Lp = (5 a 6 )x(d2-d1) Lp= 12.855 m 3.32 c) Según Safranez: Lp = 6xd1xV1 Lp= 14.037 m 3.33 √(g*d1) d) Finalmente tomamos el valor promedio de todas las alternativas: Lp= 15.102 m Longitud promedio de la poza Lp= 15.10 m 8.8. Profundidad de la Cuenca: S = 1.25 d1= 0.623 m 1/ 2 1 /4 8.9. Cálculo del Espesor del Enrocado: e ' =0 . 6∗q (H/g) H = ( P + Ho ) = 3.50 m. e= 1.054 m q= 5.17 e= 1.10 m 8.10. Cálculo de la Longitud del Enrocado: Según W. G. Bligh, la longitud del empedrado está dado por la sgte fórmula: L= c √ H∗( 0 .642 √ q−0 . 612) donde: H: carga de agua para máximas avenidas 3.50 m. q: caudal unitario 5.17 c: coeficiente de acuerdo al tipo de suelo 9.00 VER TABLA 03 Le= 14.270 m Le= 14.00 m Redondeo a la unidad 8.11. Longitud del Solado Delantero: Ls = 5Ho Ls = 5*1.10 Ls= 6.98 m 7.00 m Redondeo a la unidad 8.12. Espesor de la Poza Amortiguadora: La subpresión se hallará mediante la siguiente formula: donde: Sp= γ bc ' h +h ' − [ h L ( Lx ) ] Peso especifico del agua 1000 kg/m3 b= γ= Ancho de la sección 1.00 m. c= Coeficiente de subpresión, varia ( 0 - 1 ) 0.55 Para concreto sobre roca de mediana calidad h= Carga efectiva que produce la filtración h' = Profundidad de un punto cualquiera con respecto a A, donde se inicia la filtración. (h/L)Lx = Carga perdida en un recorrido Lx Mediante la subpresión en el punto "x", se hallará el espesor de la poza, asumimos espesor de: 0.30 m 121.10msnm hv= 0.13 m. he= 1.07 m. 0.25 (P+H) Ho = 1.20 m 1.397 m. h = 2.92 m. 5.50 m. 1.25*(P+H)= 3.30 m. P = 2.10 m. d2 = 3.07 m. 116.88msnm e=0.30 0.50 m. 0.7 m. 2.80 1.10 m 7.00 m. 15.10 m 7.00 m. 22.10 m. 14.00 m. e=0.30 43.10 m. * Predimensionado de los dentellados posteriores y delanteros: 0.80 m. 0.70 m. 1.70 m. 1.00 m. 20.33 m. 1.00 m. 0.77 m. 1.00 m. Para condiciones de caudal máximo O sea cuando hay agua en el colchón. h = d1 +hv1 -d2 h= 2.92 m. h/L barr= 0.079 e = (4/3) x (Spx / 2400) Lbarr= 37.00 m. Lx = 18.50 m. h' = 2.10 m. Spx = 1959.23 kg e = 1.09 m. No satisface la exigencia por Subpresión. Aumentar espesor Para condiciones cuandono no hay agua en el colchon h= 4.92 m. Spx = 2507.61 kg h /L = 0.13 e= 1.39 m. No satisface la exigencia por Subpresión. Aumentar espesor Se observa que los valores calculados son menores que el asumido entonces se opta por el espesor asumido: Volumen de filtración Se calcula empleando la fórmula que expresa la ley de Darcy Q = KIA donde: Q : gasto de filtración. K : coeficiente de permeabilidad para la cimentación. I : pendiente hidráulica A : área bruta de la cimentación a través del cual se produce la filtración Cálculo y chequeo del espesor del colchón amortiguador Cálculo de la longitud necesaria de filtración (Ln) H = 4.22 (cota del barraje - cota a la salida de la poza) Cbarraje: 121.10msnm Csalida: 116.88msnm C= 9 (criterio de BLIGHT:TABLA 3) Ln = C*H 37.97 m. Cálculo de la longitud compensada (Lc) longitud vertical Lv Lv = 7.50 m. de gráfico de colchon longitud horizontal Lh Lh = 29.10 m. de gráfico de colchon Lc = Lv + Lh Lc = 36.60 m. Como Ln > Lc, entoces se está posibilitando la tubificación, por lo tanto no haremos uso de lloradores. Verificación del espesor del colchón amortiguador cálculo de la subpresión Sp=γ∗c ' h+h ' − [ h L ( Lx ) ] L = (Lh/3)+Lv L= 17.20 m. h= 2.92 m. h/L = 0.170 Cuadro de valores para la construcción del diagrama de presiones Punto Lx (m) h' (m) Sp (kg/m2) (-Sp) 1 0.00 29.10 15883.43 -15883.43 2 0.30 1.00 428.43 -428.43 3 3.50 0.30 43.43 -43.43 4 7.00 3.10 1583.43 -1583.43 5 7.77 3.10 1583.43 -1583.43 6 8.17 2.10 1033.43 -1033.43 7 8.57 2.10 1033.43 -1033.43 Po 8.97 2.10 1033.43 -1033.43 8 9.37 2.10 1033.43 -1033.43 9 9.77 2.10 1033.43 -1033.43 10 10.17 2.10 1033.43 -1033.43 11 10.57 2.10 1033.43 -1033.43 12 10.97 2.10 1033.43 -1033.43 13 11.37 2.10 1033.43 -1033.43 14 11.77 2.10 1033.43 -1033.43 15 12.17 2.10 1033.43 -1033.43 16 12.57 2.10 1033.43 -1033.43 17 12.97 2.10 1033.43 -1033.43 18 13.37 2.10 1033.43 -1033.43 19 13.77 2.10 1033.43 -1033.43 20 14.17 2.10 1033.43 -1033.43 21 13.33 2.10 1033.43 -1033.43 22 14.33 2.10 1033.43 -1033.43 DIAGRAMA DE PRESIONES 0 1 3 5 7 9 11 13 15 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -3500 Sp -4000 -4500 X -5000 Dimensionamiento de los Pilares: a) Punta o Tajamar: Redondeada b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho): 3.30 3.30 m. c) Longitud: Hasta la terminación de la poza mínimo = 22.80 23.00 m. d) Espesor e: 1.30 Dimensionamiento de los Muros de encauzamiento: a) Longitud: 37.10 37.00 m. b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho): 3.30 3.30 m. . . TABLA Nº 01 Forma Kp Pilares de tajamar cuadrado 0.02 Pilares de tajamar redondo 0.01 Pilares de tajamar triangular 0 TABLA Nº02 Forma Ka Estribos cuadrados con los muros de cabeza a 90° con la direccion de 0.2 la corriente Estribos redondeados con muros de cabeza a 90° con la direccion de 0.1 la corriente, cuando 0.5Ho >= r >= 0.15Ho Estribos redondeados r> 0.5Ho y el muro de cabeza 90° esta colocado no mas de 45° con la dirección de 0 la corriente. TABLA Nº03 COEFICIENTE DE " C" LECHO DEL CAUCE BLIGH LANE Arena fina y/o limo 18 8.5 Arena fina 15 7 Arena tamaño medio - 6 Arena gruesa 12 5 Grava fina - 4 Grava media - 3.5 Gravas y arenas 9 3.5 Grava gruesa - 3 Boloneria con grava - 2.5 Boloneria, Gravas y arena 4 6 2.5 Arcilla plastica 6 7 3 Arcilla de consistencia media 6 7 2 Arcilla dura 6 7 1.8 Arcilla muy dur 6 7 1.6 TABLA Nº04 CONDICIONES DEL CANAL Tierra 0.020 Roca cortada 0.025 Material considerado (no) Grava fina 0.024 Grava gruesa 0.028 0.028 Liso 0.000 Menor 0.005 Grado de irregularidad (n1) Moderado 0.010 0.010 Severo 0.020 Gradual 0.000 0.000 Variaciones de la sección Ocasionalmente transversal del canal (n2) Alternamente 0.005 Frecuentement 0.010 - 0.015 Despreciable 0.000 0.000 Efectivo relativo de Menor 0.010 - 0.015 obstrucciones (n3) Apreciable 0.020 - 0.030 Severo 0.040 - 0.060 Baja 0.005 - 0.010 Menor 1.000 Cantidad de meandros (n5) Apreciable 1.150 Severa 1.300 n rio = n0+n1+n2+n3+n4+n5 0.038 TABLA Nº 05 ABACO N° 01 Pagina # 86 Figura 5.5 ABACO N° 02 Pagina # 87 Figura 5.6 ABACO N°03 Pagina # 88 Figura 5.7 ABACO N°04 Pagina # 89 Figura 5.8 ABACO Nª05 ABACO Nª06 Pagina # 90 Figura 5.9 y 5.10 ABACO Nª07 ABACO Nº 08 Pagina # 83 Figura 5.3 ABACO Nº 09 PAGINA # 84 FIGURA 5.3 ABACO Nº10 Pagina #31 Figura 15 Grafico ing. Alfredo Mansen Valderrama DISPOSICION DE LOS GAVIONES A USAR TENIENDO COMO GUIA LA CURVA 2.333 2.333 2.333 119.00 121.10 10 9 1 8 7 5 52 117.38 2.10 6 116.88 1 5 4 44 3 0.3 2 3 1 3 Enrrocado 0 0.7 0.40 1.10 e'= 1.1 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 2 2 1.40 11 1.70 1 1 0.10 2.33 0.3 7.00 7.00 15.10 0.4 14.00 7.00 según calculo ANALISIS DE ESTABILIDAD DEL BARRAJE FIJO 1. ANALISIS DEL BARRAJE PARA AGUA AL NIVEL DE LA CRESTA Datos generales: * Barraje a base de gavion el cual con Fy= 5000 Kg/cm², cuyas peso especifico es de (Pg) : 1800 Kg/m³ usaremos canto rodado * Coeficiente d friccion entre suelo y gavion según recomendaciones este valor esta entre 0.5 y 1, tomaremos : 0.55 * Capacidad de la carga de la arena = 2.15 Kg/cm² * Peso especifico del agua con sedimentos y elementos flotantes 1.9 Tn/m³ * Peso especifico del agua filtrada (Pf) = 1000 Kg/m³ * Peso especifico del agua igual (Pa) = 1.45 Tn/m³ Fuerzas que intervienen Fh= Fuerza hidrostática Ea= Empuje activo del suelo en suelo friccionante Wa= Peso de la estructura Sp= Sub - Presion Sh= Componente horizontal de la fuerza sismica Sv= Componente vertical de la fuerza sismica Ve= Empuje del agua sobre la estructuraocacionado por aceleracion sismica Me= Es el momento producido por esta fuerza. a. Fuerza hidrostática (Fh). Fh = 0.5 * Pa * H² H = P= 2.1 m Pa = 1.45 Tn/m³ Se tiene que considerar un 30% de relacion de vacios en los gaviones Fh = 2.238075 Tn Vh = P /3 = 0.7 Tn b. Empuje activo del suelo (Ea). Ea = 0.5 (P1 + P2) * H2 P1 = ( Pg * H1) + (Pa * H) P2 = (Pf * H2 ) + (P' * Ka * H2 ) + P1 Donde : Pf = 1000 Kg/m³ P' = Peso especifico del suelo sumergido = P' = (Ps - 1) = 1 Tn/m³ H2 = Espesor del suelo = 0.7 m & = Angulo de friccion interna según tabla para sm = 30 Ps = Según tabla N° SM = 2 Tn/m³ Pa = 1.45 Tn/m³ Ka = [ Tag (45 - &/2) ]² 0.33 Pg = Peso especifico del gavion= 1800 Kg/m³ H = Espesor solado delantero = 0.3 Remplazando tenemos: P1 = 3.585 Tn/m² P2 = 0.936918333 Tn/m² Ea = 1.107869992 Tn/m Ya = H2(2P1 + P2) / [ 3(P1 + P2) ] = 0.418 Ya = 0.4183211943 m. c. Empuje del solado delantero (Ec). Ec = 0.5*(P + P1)* H1 Donde, P = Pa * H = 3.045 Tn/m². Entonces : Ec = 0.9945 Yc = ( 2*H2 + H1 ) / 2 = 0.85 m d. Peralte del peso de la estructura (W). El peso de la estructura , biene hacer el peso de cada uno de los gaviones que estan formando parte del barraje. El con las medidas de cada uno de los gaviones calculamos su C.G. CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DE LA ESTRUCTURA N° ancho (m) Alto (m) Area (m²) x (m) y (m) Ax Ay 1 2.33 1.70 3.97 1.00 3.50 3.97 13.88 2 4.67 1.00 4.67 1.50 2.50 7.00 11.67 3 7.00 1.00 7.00 2.50 1.50 17.50 10.50 4 1.00 4.67 4.67 2.00 0.50 9.33 2.33 5 2.33 1.00 2.33 2.50 0.50 5.83 1.17 TOTAL 22.63 9.50 8.50 43.63 39.55 X= 4.59 m Y= 0.21 m Peso de la estructura : W = 40.74 Tn e. Sub presion (Sp). Sp = c * Pa * H * L / 2 Donde : c = 0.5 fines de diseño L = 7 Sp = 2.57 Tn/m Xsp = L/3 = 2.3333333333 m F. Sismo. Componente horizontal del sismo. Sh = 0.1 * W = 4.07 Tn Componente Vertical del sismo. Sv = 0.03 * W = 1.22 Tn Estas fuerzas actuan en el centro de gravedad de la estructura. f. Empuje del agua devido a la acelerasion sismica. La fuerza sismica en el agua y que se reparte en la estructura esta dada por la siguiente formula: Ve = 0.726 * Pe * y Donde: Aumento de presion de agua en Lb/ pie² a cualquier elevacion debido alas oscilaciones sismicas y se calcula por la siguiente formula: Pe = c * i * Pa * h C = Coeficiente de distribucion de presiones. C = Cm * [ y (2 - y/h) + ( v * (2 - y/h) / h )^0.5 ] / 2 y = Distancia vertical de la superficie del vaso a la elevacion en pies. Cm = Valor maximo de C para un talud constante. En la superficie del agua: y=0 c=0 Pe = 0 Me = 0 En el fondo del barraje y = 2.10 h = 2.10 y/h = 1.00 Para paramento vertical: c = 0.73 Para un sismo de Intensidad VIII en la escala de Mercally (Zona 1, R.N.C.) La aceleracion sismica es el 32% de la aceleracion de la gravedad i = 0.32 Pa = 90.48 lb/pie³ h = 6.89 pie Remplazando : Pe = 145.59 lb/ pie Ve = 728.03 lb / pie El momento de volteo será de: Me = 0.29 * Pe * y² Me = 2003.10 lb - pie En unidades metricas seria : Ve = 1.08 Tn/m Me = 0.91 Tn - m 2. Analisis de estabilidad de agua. La falla en la estructura puede ser por Volteo, deslizamiento y esfuerzos excesivos. Debera preveerse que en el plano de desplante de la estructura solo tengan esfuerzos a compresion y que el suelo admita tracciones esto se logra cuando la resultante de las fuerzas actuantes corta al plano de la base en el tercio central Ubicación de la Resultante (Xr) Tomando momento respecto al punto "0" Fh Ea Ec Sh Ve TOTAL F horz (m) -2.238 -1.108 -0.995 -4.074 -1.083 -9.50 Brazo (m) 2.200 0.418 0.850 0.215 Mot (m) -4.924 -0.463 -0.845 -0.876 -0.908 Sp Sv W TOTAL F vert. (m) -2.57 -1.22 40.74 36.95 Brazo (m) 1.67 -0.59 -0.59 Mot (m) -4.29 0.72 -24.16 M (+) = -24.158 m (-) = -3.563 XR = -0.75 m Excentrecidad (e) e = L/2 - Xr = 2.7503217488 Estabilidad al volteo F.S. = suma M (+) / suma M (-) > 1.5 F.S. = -6.78 Estabilidad al deslizamiento. Fuerza resistente Fr = u * Fv u = Coeficiente de friccion entre el suelo y el gavion varia Fr = 18.47 de 0 a 1 = 0.6 Debe cumplir que Fh > Fr Entonces necesita un dentellon, el cual escogemos con dimensiones comerciales Estabilidad a los esfuerzos excesivos Falla por esfuerzos excesivos deben ser menores que los admisible. Esfuerzo = ( Suma (Fv) * (1 +- (6*e / L)) / b * L Remplazando : Esfuerzo = 1.115 < 2.00 kg/cm² Ok! CAUDAL DE DERIVACION DE DEMA 1 1 1 0 0 CULTIVO AREA (HAS) ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAIZ AMARILLO DURO 342.9 342.9 342.9 342.9 342.9 MAIZ AMARILLO DURO 457.1 457.1 457.1 MAIZ AMARILLO DURO 571.4 571.4 MAIZ AMARILLO DURO 685.7 FRIJOL 800.0 ALGODÓN 914.3 CAÑA DE AZUCAR 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 ESPARRAGO 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 VID 800.0 800.0 800.0 800.0 800.0 MANGO 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 NARANJA 571.4 571.4 571.4 571.4 571.4 Eto mm/mes 130.04 147.90 134.90 127.90 Precipitacion mm/mes 7.70 17.70 14.60 5.50 Efc 0.90 0.90 0.90 0.90 Efd 0.80 0.80 0.80 0.80 Poblacion hab 320,000 TABLA N° 1 Coeficiente de Cultivo CULTIVO Enero Febrero Marzo Abril Mayo Maiz Amarillo Duro 0.60 0.75 0.90 1.05 0.55 Maiz Amarillo Duro - - 0.60 0.75 0.90 Maiz Amarillo Duro - - - 0.60 0.75 Maiz Amarillo Duro - - - - - Frijol - - - - - Algodón - - - - 0.30 Caña de Azucar 0.25 0.25 0.25 0.25 0.70 Esparrago 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 VID 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 Mango 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 Naranja 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 Kc ponderado 0.58 0.61 0.63 0.66 0.65 Comentario: Asumiendo los datos de cultivo de ceficiente Kc, en este caso tomamos del departamen Area de Cultivo (has) 7,771.4 Efr 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 TABLA N° 2 Cuadro del Calculo de la Demanda de Agua por Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Dias 31 28 31 30 31 Efr 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 ETO (mm/mes) 130.04 147.90 134.90 127.90 114.90 Precipitacion (mm) 7.70 17.70 14.60 5.50 0.00 Area de Cultivo (has) 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 Kc ponderado 0.58 0.61 0.63 0.66 0.65 ETc (mm/mes) 75.86 89.97 84.79 84.73 74.69 DA (mm/mes) 68.16 72.27 70.19 79.23 74.69 DAP (m3/mes) 946.62 1003.78 974.92 1100.47 1037.29 DAB (MMC) 7.36 7.80 7.58 8.55 8.06 MR (lt/seg/ha) 0.35 0.41 0.36 0.42 0.39 Caudal (lt/seg.) 2746.64 3224.55 2828.75 3299.47 3009.72 Caudal (m3/seg.) 2.75 3.22 2.83 3.30 3.01 Comentario: En este cuadro de demanda de agua escogeremos el caudal mas alto que es en el mes F el tipo de terreno que tenemos. Caudal de Diseño de la Demanda de Agua: 3299.47 lts/seg y/o PARAMETRO DE DISEÑO 1. Poblacion de Diseño: Poblacion : 320,000 hab. 2. Dotacion: De acuerdo a la RNE Dotacion : 250 lts/hab./dia Caudal de Diseño del Canal: Qd = 925.93 lts./seg. 0.93 m3/seg. Qdcanal= 4.23 m3/seg. De acuerdo con los datos obtenidos mediante la demanda de agua para uso agricola y e CONCLUSION: calculo de diseno para el consumo domestico tendremos un solo caudal de diseño para canal de Qdcanal = 4.23m3/seg. DERIVACION DE DEMANDA 0 0 0 4 7 MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE 342.9 457.1 457.1 457.1 571.4 571.4 571.4 571.4 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 800.0 800.0 800.0 800.0 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 1,028.6 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 914.3 800.0 800.0 800.0 800.0 800.0 800.0 800.0 800.0 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 685.7 571.4 571.4 571.4 571.4 571.4 571.4 571.4 571.4 114.90 95.40 71.40 80.50 86.80 91.20 97.40 101.30 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.40 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 TABLA N° 1 Coeficiente de Cultivo Kc Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre - - - - - - - 1.05 0.55 - - - - - 0.90 1.05 0.55 - - - - - 0.60 0.75 0.90 1.05 0.55 - - - - 0.15 0.25 0.10 0.75 0.30 0.30 0.60 0.60 0.60 0.55 0.55 0.70 0.70 0.70 1.35 1.35 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.70 0.65 0.66 0.71 0.74 0.54 0.64 aso tomamos del departamento de Ica. 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 TABLA N° 2 a Demanda de Agua por Bloque de Riego Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 30 31 31 30 31 30 31 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 95.40 71.40 80.50 86.80 91.20 97.40 101.30 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.40 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 7,771.4 0.70 0.65 0.66 0.71 0.74 0.54 0.64 66.78 46.41 52.83 61.30 67.26 52.96 64.40 66.78 46.41 52.83 61.30 67.26 52.96 63.00 927.50 644.58 733.72 851.42 934.17 735.57 874.97 7.21 5.01 5.70 6.62 7.26 5.72 6.80 0.36 0.24 0.27 0.33 0.35 0.28 0.33 2780.86 1870.27 2128.91 2552.77 2710.50 2205.42 253.87 2.78 1.87 2.13 2.55 2.71 2.21 0.25 dal mas alto que es en el mes Febrero = 3.30 m3/seg., con la finalidad de diseñar un canal de acuerdo con 3.30 m3/seg a de agua para uso agricola y el un solo caudal de diseño para nuestro Calculo de captacion Cálculo de Captación: BL Yn b Remplazamos estos valores, tenemos que: Asumimos un valor de: b = 3.60 m Caudal Q= 4.23 m3/s Pendiente S= 0.001 Revestimiento concreto n= 0.015 Área A= b * Yn = 2.94 Perímetro P= b + 2Yn = 5.2346 Q * n / (S^0,5) = A * (R^2/3) = [A^5/3] / [P^2/3] 2.0043 .= [(b+Yn)^5/3] / [(b+2Yn)^2/3] 2.004 .= 2.004 Iterando: Yn = 0.82 m Yn = 0.82 m Con este valor reemplazamos en la fórmula y se tiene: Area (m2) = 2.94 m2 Perímetro (m) = 5.23 m Rad. Hidra. (m) = 0.56 m Velocidad = 1.44 m/s Subcrítico hv = 0.11 m E = Yn + hv = 0.92 m Cálculo del borde Libre: DE LA TABLA Nº 05 BL = 1.00 m Resultados: bl=1m bl=0.8m b=3.6m Diseño del Canal de Conducción: T BL Yn b Adoptamos: Q = 4.23 m3/s Z= 1.00 b= 2.00 m n= 0.015 S= 0.001 Q * n / (S^0,5) = A * (R^2/3) = [A^5/3] / [P^2/3] Del gráfico tenemos: A = (b + zy)y P = b + [2*Yn*(1+Z^2)^0,5] 2.004 = 2.004 Iterando: Yn = 0.95 m Yn = 0.95 m Con este valor reemplazamos en la fórmula y se tiene: Area (m2) = 2.818 Perímetro (m) = 4.698 Rad. Hidra. (m) = 0.600 Velocidad = 1.499 Subcrítico Tirante= 3.908 hv = 0.115 E = Yn + hv = 1.069 Cálculo del borde Libre: DE LA TABLA Nº 05 BL = 0.60 m Resultados: T=3.908m bl=0.6m y=0.95m b=2m barraje Transición que unirá el canal de captación y el canal de conducción: T Q captacióó n = 4.23 m3/s t Lt Lóngitud de Transicióó n: Para α= 12.5 Ctg α = 4.51 Lt = (T - T') * Ctg 12,5º / 2 Donde: T= 3.91 m T' = 3.60 m Remplazando: Lt = 0.69 m Asumimos: Lt = 1.00 m Diseño de Ventanas de Captación: * Las Dimensiones de las ventanas de capatación se calcularán para el caudal máximo a captar (derivar) y para la época de estiaje (carga hidráulica a la altura del barraje). * La elevación del fondo del canal respecto a la razante en el río no debe ser menor que 0.30m, dependien do de la clase de material en arrastre. * Para evitar que rocas de gran tamaño y cantidad de árboles que acarrea en épocas de crecidas ingresen a la captación, se propone la protección mediante un sistema de perfiles que irán fijos en un muro de concreto. * El eje de captación será perpendicular con el eje del río. 122.30msnm 121.10msnm 119.00msnm * El cálculo hidráulico comprende en el dimensionamiento del orificio y conducto de salida y determina ción del gasto máximo de avenida. Ademas se diseñará la transición que une el canal de captación a la salida de la toma con el canal de conducción * Diseñaremos las compuertas para un nivel de operación (cota barraje fijo) * Se comprobará si el canal soportará conducir el caudal para máximas avenidas. Determinación de las dimensiones y el número de compuertas Datos: Velocidad de predimensionado: 0.7 - 1.0 m/s asumiendo V = 1.00 m/s escogiendo dimensiones de compuertas según manual de ARMCO Escogemos: 48 48 a= 1.22 b= 1.22 Acomp. = 1.49 m2 Qdiseño = 4.23 m3/s Adiseño = 4.23 m2 # comp. = 2.843 para : 3 compuertas V= 0.95 m/s O.K.