criterios hidráulicos diseño captaciones dhe 2013 ig

Criterios Hidrulicos para el Diseo de Captaciones

Curso Diseo Hidrulico de Estructuras

Jos Luis Garca Vlez

2013-I

1

Elementos de una Estructuras de Captacin Lateral

2

a. rea principalb. Obras de gua y derivacinc. Captacin

1.

3.

6.

7.

2.

12.

4.

5.9.

10.

11.

1. Azud de derivacin

2. Compuerta de limpieza

3. Reja de entrada

4. Desripiador- Presedimentador

5. Vertedero del desripiador

6. Compuerta del desripiador

Esquema general captacin lateral

ZampeadoDentelln del Azud

Dentelln del

Zampeado

1.

13.

8.

6. Compuerta del desripiador

7. Losa operacin de las compuertas

8. Canal de desfogue

9. Transicin

10. Compuerta de admisin

11. Canal de conduccin

12. Muro de ala

13. Muro de ala

3

Modelo Fsico de captacin lateral

4


5

Esquema general PCH Alto Tulu

vertedero mvil

vertedero fijocanal de aduccin

orificio de captacin

ro Tulu

6

desarenadores

canal de aduccin

tanque de carga


7


8

Es aquella en la cual el ro presenta en su perfil transversal, una alturade agua suficiente como para provocar el paso del agua hacia la obrasin represarla

Ro

Esquema general captacin lateral directa

9

Derivacin

Derivacin

Ro

captaciones en el ro Cauca

Derivacin Directa Lateral ro Cauca

RoDerivacin

10

Reja y orificio

de captacin

Derivacin Directa Lateral ro Cauca

Proteccin contra

elementos flotantes

11

Mantenimiento

mecnico

Criterios de diseo componentes

captacin lateral

12

captacin lateral

Esquema planta general captacin lateral

13

Esquema planta general captacin lateral PCH Amaime

14


Canal de aduccin

20

Canal de aduccin

Canal de Aduccin PCH Alto Tulu

21

Canal de Aduccin PCH Alto Tulu

22


Orificio y rejilla

23

Orificio y rejilla

,,

Orificio no sumergido

g

VKhR

2

2

0= Sens

tCK f

3

4

=

- Si no existe limpieza de rejillas

- Si existe limpieza de rejillas o

separacin grande entre las barras verticales del enrejado

24

[ ]g

VKHt t

25.0

2

+=

2

45.045.1

=

b

n

b

n

tA

A

A

AK

Orificio sumergido

Reja de captacin Bocatoma PCH Amaime

27

Reja de capitacin Bocatoma PCH Amaime

28


29

Reja gruesa


30

Reja gruesa


31

Reja gruesa

Reja de capitacin Bocatoma PCH Alto Tulu

32

Orificio de captacin y Reja

Chequeo de vibracin de la reja

33

Rastrillo Mantenimiento Manual de la rejilla

34

Reja de capitacin Bocatoma ro Guabas

35

Orificio de captacin y Reja


desripiador

36

Orificio de

captacin y Reja

Canal de

aduccin


Canal de

aduccin

37

desripiador


Compuerta de limpieza

38

Compuerta de limpieza

Compuerta de limpieza - PCH Alto Tulu

Canal de limpieza

Muro gua o

conductor

39

Compuerta de limpieza Erosin del canal PCH Alto Tulu

PCH

40

PCH

Compuerta de limpieza y canal de desfogue - PCH Alto Tulu

Canal de limpieza o

desfogue

41

Canal y compuerta de limpieza

42


43


44


45

Dique Bocatoma, vertedero y compuerta de limpieza PCH ro Amaime

46

Longitud Dique = 30.30 m

Ancho

compuerta

B = 8 m

B = Longitud Dique/10 = 3.30 m


47

Muro gua PCH Alto Tulu

Muro gua o

conductor

51

Coeficiente de contraccin de chorro Compuertas o orificios sumergidos

Vo

Ho

H

a hcont

h

Vo2/2g

H

a

h

Z0Z1

H2

H0

57

a/H0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55

e0.611 0.615 0.618 0.62 0.622 0.625 0.628 0.63 0.638 0.645 0.65

a/H0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1

e0.66 0.675 0.69 0.705 0.72 0.745 0.78 0.835 1


Desripiador

64

Desripiador

Desripiador

Para el diseo de las obras de captacin en ros, generalmente slo interesan las partculas de

sedimento mayores de 0.1 mm, las cuales han de ser removidas en los desarenadores o controladas enel canal de limpieza y presedimentador, aunque cuando se tengan altos volmenes de arrastre de

materiales finos, es evidente, que se deben tener en consideracin.

65

Desripiador

66

Desripiador

68


Control de sedimentos

69

Control de sedimentos

Exclusor de lodos tipo tnel en el desripiador

70

Eyector de sedimentos tipo labe en canal de aduccin

71

Eyector de sedimentos tipo vrtice en canal de aduccin

72

Descarga Desripiador - PCH Alto Tulu

73


Vertedero de excesos en canal de aduccin

74

Vertedero de excesos en canal de aduccin

Vertedero de exceso - PCH Amaime

Vertedero de

excedencias

Dique o azud

75

Canal de limpieza

desripiador

Compuerta limpieza


Vertedero de

excedencia

Canal de limpieza

76

Canal de aduccin

Vertedero de

excedencia

Canal de limpieza

desripiador


Canal de

Vertedero de

excedencia

77

Canal de

limpieza

desripiadorVertedero de

excedenciaCanal de

aduccin


Dique o azud

78

Dique o azud

Determinacin Nivel de Creciente en el Azud

gPHANE

QH

gA

QH

g

VHHHH

HHH

d

oooaod

ado

2)()(22 22

2

2

22

+=

===

+=

ANE = Ancho del Estanque o Ancho del DiqueQ = Caudal de Creciente para la Avenida de DiseoH0= Carga total sobre la crestaHd= Coeficiente de descarga variableHa= Carga de velocidad de aproximacinP = Umbral o altura Paramento aguas arriba delvertedero

a) Determinacin de H0 y C0

Se supone un valor inicial para el clculo del coeficiente de descarga Co1 sin considerar los efectos de correccin.

Se determina la Carga Mxima sobre el vertedero Carga Total sobre la cresta Q=C01(ANE). H03/2

3/2

1

1

=

ANECo

QHo MAX

b) Se recalcula el Coeficiente de Descarga por medio de la Figura Coeficientes de Descarga para las Crestas de Cimacio en Pared Vertical o por las ecuaciones de Gehy (1982) para el Coeficiente

80

las Crestas de Cimacio en Pared Vertical o por las ecuaciones de Gehy (1982) para el Coeficiente de Descarga Co en funcin de la relacin P/Ho, donde P es la altura del paramento de aguas arriba, y Ho la carga Total sobre el vertedero, siendo Ho = He.

Co1 ANE Ho1 (1)Ho = (0.75-1.0) Ho1

(**)P/Ho

Co(*)

Si el coeficiente de descarga calculado es igual al supuesto termina el proceso, de lo contrario, se

asume el ltimo valor calculado y se repite el proceso nuevamente hasta que coincidan

Tabla de Clculo

(*) Ecuacin de Gehy o Figura

(**) El cimacio funciona generalmente con cargas diferentes a la de diseo.

Considerando que la Creciente Mxima de Diseo es poco frecuente y de corta duracin, se

81

Considerando que la Creciente Mxima de Diseo es poco frecuente y de corta duracin, se

disea el vertedero generalmente para una carga menor, lo cual incide en la economa del azud.

Se debe procurar no disear para cargas menores al 75% de la correspondiente al caudal mximo,

con el fin de evitar altas presiones negativas sobre la cresta, con los consecuentes daos por

cavitacin.

Se calcula el coeficiente de descarga considerando las siguientes correcciones:

4321 CCCCCC O =

C1 por Efectos del Talud del paramento aguas arriba.

C2 por efecto de Cargas Parciales (He) con relacin a la Carga Total (Ho).

C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique o efecto de lavadero.

83

C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique o efecto de lavadero.

C4 por sumergencia aguas abajo del dique.

Se determina el coeficiente de correccin C1 por Efectos del Talud del paramento aguasarriba. Para talud vertical se tiene que C1= 1.0

84

Se calcula el coeficiente de correccin C2 por efecto de Cargas Parciales (He) con relacin a

la Carga Total (Ho)

788.0212.0

3/2

2 +

=

o

e

H

HC

Se determina el valor de correccin C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique

(efecto de lavadero) del coeficiente de descarga

86

Se determina el valor de correccin C4 por sumergencia aguas abajo del dique

87

Pasarela sobre el dique o Azud

88

Calculo Cota de Fondo del Estanque (CFE) Amortiguador del Zampeado

91

Disipador salto de esqui

92

Si y = 0

93

Si yb = 0

3/12

=

g

qYc

ANE

Qq =

94

Calculo Cota de Fondo del Estanque (CFE) Amortiguador del Zampeado

V2/2g

LsLE hf

HoV2cont H

To 2g LE

TP

do

a d cont

Profundidad contrada al pie del azud

Resalto Hidrulico

Hd

99

)(2 dcontTogK

qdcont

=

El coeficiente K de prdidas, se asume as:

K = 0.95 0.85 para azud con compuertas sobre la crestaK = 1 0.9 para azud sin compuertas

[ ]2112 8112

Fy

y ++=

++=

3

1

2

12

.

811

2 dg

qyy

Sumergir el resalto y > e + do

100

Sumergir el resalto y2 > e + do

e: Altura en la que se debe profundizar el colchn.

e = k. y2 do por seguridad.

donde k: Coeficiente de seguridad 1.10 1.20

Como cambia T0 se recalcula n de nuevo dcont y y2.

H Diente

Z

P y 2 y 3

y 1 V 1 h

x

Figura 23. Diseo colchn de aguas con diente al final del zampeado Ejemplo 2

1

1 1

y . g

V F =

Otra forma para determinar V1

101

Figura 23. Diseo colchn de aguas con diente al final del zampeado Ejemplo 2

USBR recomienda

donde:

V1 = Velocidad en el pie de la presa (m/s)

Z = Altura medida desde el nivel mximo aguas arriba de la estructura hasta el nivel del pozo de amortiguacin (m).

H = Carga hidrulica sobre la cresta (m).

)5.0(21 HZgV =

Dique Bocatoma PCH Amaime

103

Dique Bocatoma PCH Alto Tulu

104

Dique Bocatoma ro Palo

105

Bocatoma ro Palo

106

Bocatoma ro Palo

107

Bocatoma ro Palo

108

Bocatoma ro Palo

109

Calculo Perfil del Cimacio tipo Creager

Vertederos Tipo WES - U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station 110

Pendiente Paramento (V:H)K n

Vertical 2.000 1.850

3:1 1.936 1.836

3:2 1.939 1.810

3:3 1.873 1.776

YHKX ndn = 1

111

Curva Calibracin Q vs Hd

Dique sin colmatacin

Dique colmatado

115

Perfil hidrodinmico del azud

116

HdXc

HdXc

L 175.0

107.0

=

=

(2)

(3)(4) = CCR

2

CFECCRPT

=

(x5,y5)

2

TPY =5

)H( 2 585.085.1

5 yx d=

),( 5 555 CYXPuntoPCCRCY T =

117

Radio de la curva recomendado R3 = 0.7x(CCR CFE)

La tangente a la curva del cimacio en el punto 5 es:

( )

1

1

5

1

5

1

tan

tan

==

=

=

=

=

x

y

x

y

n

n

n

d

n

d

dTan

d

dTan

XteConsdx

dy

XteConsdx

HK

Xyd

dx

dy

)1(36 CosRCFECy +=

[ ]5

656 x

Tan

CyCyx +

=

SenRxx += 367118


119


120


Fallas de la cimentacin del azud en

suelos permeables

122

suelos permeables

Fallas de la cimentacin del vertedero en suelos permeables

123

Evitar la

tubificacin

Dentellones

Y1 = (0.75 0.8) Z

Y2 = (1 1.5) Z

Y3 = 0.3 Z pero no menos de 1.0 m

L1 = hasta 6 Z

L2 = (2-3) Z

La distancia entre dentellones no debe ser menor que

la suma de las longitudes de los mismos 124

Captacin El Voladero Ro Bugalgrande

126

Antes Despus


127


128

ZCVNL .3

1+=

L = Longitud total de la fundacin de recorrido del aguaN = Longitud de contactos horizontales o que hacen un ngulo

menor de 45 con la horizontal.

V = Longitud de contactos verticales o que hacen un ngulo mayor

de 45 con la horizontal.

C = Coeficiente de Lane que depende del terreno.

Mtodo de Lane (Filtracin Compensada)

Valores del coeficiente C para el mtodo de Lane

Material Lane

Arenas finas y limos 7.0 - 8.5

Arenas comunes 5.0 6.0

Canto rodado, grava y arena 2.5 4.0

Suelos arcillosos 1.6 3.0

132

Espesor (t) necesario del Zampeado

1=

Dr

ht

Dr = Densidad realtiva del hormign.

El espesor del zampeado se calcula teniendo en cuenta que su peso debe ser

mayor que la subpresin, para que sta no lo pueda levantar y agrietar

Dr = Densidad realtiva del hormign.

h = Subpresin en el punto considerado.

Se recomienda que el valor mnimo no sea inferior a 30 cm. (tmn 30 cm.)

Tf = t (1.1 a 1.35)

5.05.02.0 Zqt =

Al comienzo del zampeado el espesor debe ser suficiente para resistir el

impacto del agua que baja desde el azud

133

Socavacin local aguas abajo de Estructuras Hidrulicas

32.0

90

5.02.075.4

D

qHhDd dSs

=+=

El mtodo ms sencillo usado universalmente es el de Schoklitsch (1932):

ds = Profundidad de socavacin medida desde la superficie del agua (m).

H = Altura desde el gradiente de energa de aguas arriba hasta la superficie de la lamina de agua de aguas abajo (m).

q = Caudal Unitario (m3/s-m).

134

D90 = Tamao del material del lecho del ro correspondiente al 90% ms fino (mm).

hd = d0 = Profundidad de aguas abajo (m).

qH

Ds ds

L

hd= d0

Zamarin (1951)

V

qdoy =+4 n RVV 1=

V1 = Velocidad admisible mxima para los materiales que forman el cauce.

R = Radio hidrulico.

n = 2 + R (n mx. = 6) Para cauces de limo, arena, grava.

n = 2.5 + 0.5 R (n mx. = 5) Para cauces de canto rodado.

135

n = 2.5 + 0.5 R (n mx. = 5) Para cauces de canto rodado.

Si y4 R, entonces se debe proteger el cauce despus del zampeado con una capa de piedra

d0

Ds=Y4

L=(1.5-2).ds

ds

Rip-rap Aguas abajo del colchn amortiguador

Tamao del material:

g

VDm

2

4.1 2

Dm = Dimetro medio del material con el que se debe proteger el cauce (m).

V = Velocidad en condiciones uniformes aguas abajo (m/s).

= Densidad relativa

= Peso especfico del material (Kg/m3)

= Peso especfico del agua (Kg/m3)

s

136

= S

= Peso especfico del agua (Kg/m )

Peso del material: 3

5.0 ms DW =

do ds

da

L= (1.5 a 2) ds

ds = do + da , ds = (1.75 a 2.25) h

3

12

34.1

=q

h DF = 76.1

137

3

34.1

=

BF

qh mB DF = 76.1

Dm = Dimetro medio de las partculas en el lecho del ro (mm).

L = Longitud de la proteccin aguas abajo del colchn (m)

L= (1.5 a 2) ds (m).

Bocatoma de Fondo

Desventajas de las obras de toma lateral:

El azud debe estar levantado a cierta altura sobre el fondo del ro para poder captar

agua y como consecuencia son necesarias obras de disipacin de energa que son muy

costosas.

La compuerta de purga tiene una eficiencia baja y siempre algunas piedras quedan

frente a la reja.

138

Si no hay mantenimiento constante y cuidadoso, los sedimentos comienzan a tapar la

reja perjudicando la captacin.

Para tratar de eliminar estos defectos en su funcionamiento, se disean las estructuras

de captacin en el mismo cuerpo del azud, llamadas bocatomas de fondo.

Usada en ros de montaa:

Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar a ms del 10%, por lo

cual no requiere de un azud o presa de gran altura.

Crecientes sbitas causadas por lluvias de corta duracin y que llevan una

gran cantidad de piedras.

Bocatoma de Fondo

139

Pequeo contenido de sedimentos finos y agua relativamente limpia en

estiaje.

Grandes variaciones diarias de caudal cuando provienen de nevados.

Para caudales mximos de 10 m3/s

Las tomas de rejilla de fondo consisten en:

una rejilla fina de fondo,

ubicada horizontalmente con una pequea inclinacin,

sobre una galera hecha en el cuerpo de la presa y que se conecta con el canal de aduccin.

La presa que cierra el ro se compone de tres partes:

Un tramo en la orilla opuesta del canal que se compone de un azud macizo sobre el cual vierte el agua

de creciente.

Este azud debe tener un perfil hidrodinmico que normalmente se disea con las coordenadas de

Creager.Creager.

El azud funciona como un vertedero de crecidas para el paso del gasto mximo estimado y as evitar

socavaciones del azud de toma.

Un tramo central con la rejilla, el cual funciona como un vertedero central para permitir el trnsito del

gasto medio de la corriente.

Un tramo hueco que tiene en su interior la galera que conduce el agua desde la rejilla al canal.

La galera est tapada con una losa de hormign armado, la cual en su parte superior sigue el mismo

perfil que el azud macizo.

Este tramo se suprime cuando la rejilla est pegada a la orilla.

140

Debido a que la rejilla es la parte ms baja de la presa que cierra el ro, el agua pasar forzosamente sobre

ella para cualquier condicin de caudal.

Por esta razn la rejilla puede estar a cualquier altura sobre el fondo, de manera que la altura del azud puede

llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 y 50 cms.

La baja altura del azud permite:

Que las piedras pasen fcilmente por encima del azud.

Disminuir la longitud del zampeado o colchn amortiguador.

Que el costo de esta toma sea bastante menor que el de una toma lateral con dique.

La desventaja principal de una toma de fondo:La desventaja principal de una toma de fondo:

es la facilidad con que se tapa la rejilla,

especialmente si el ro trae material flotante menudo como hierbas y hojas.

A continuacin de la toma se debe construir:

un desripiador eficiente debido a que gran cantidad de arenas y piedras pequeas pasan por la rejilla.

Para que el desripiador tenga una salida al ro con una longitud tcnica y econmicamente viable, la

pendiente mnima debe ser de 3%.

141

La rejilla debe ser de:

barras de hierro de seccin rectangular (platina) o

trapezoidal con la base mayor hacia arriba,

colocadas paralelamente a la direccin del ro.

No se aconsejan las barras redondas porque:

se obstruyen ms rpidamente con arena y piedra fina y

son ms difciles de limpiar

Tambin se pueden usar planchas perforadas con orificios redondos en vez de barrotes,

aumentndose considerablemente las dimensiones brutas de las rejillas.

Adems que una desventaja de las platinas es su posibilidad de deformarse o ceder en el sentido

horizontal.horizontal.

Se pueden usar rejillas dobles, una gruesa encima y una fina debajo.

La reja debe ser de fcil limpieza, preferiblemente removible para facilitar las labores de

mantenimiento de la obra.

La rejilla tiene una inclinacin con la horizontal entre 0 y 20 % para facilitar el paso de laspiedras, pero podra llegar a 30 y 40 grados (segn Bouvard).

La separacin entre barras vara de 1 a 10 cm.

La seccin de las barras se escoge en funcin de su longitud y con base en consideraciones

mecnicas para que resistan el peso de piedras grandes y no se doblen.

142

Bocatoma de Fondo Ro Cali

143

Bocatoma de Fondo Ro Chinchin

144


145


146


147

148


Bocatoma de Fondo

151

Fy = 2530 kg/cm2 =36000 lb/pulg2

155

Diseo:

En la bocatoma de fondo son tantas las variables del chorro parablico al

producirse el vertimiento del flujo sobre el azud, que el diseo est basado en

formulaciones empricas.

No interesa determinar las condiciones exactas del flujo, sino asegurar la

entrada a la galera (tanquilla) del gasto requerido.

Si sta funcin puede cumplirse en forma econmica mediante un mtodo de

diseo simplificado, sin recurrir a experimentos en cada caso, el problema de diseo simplificado, sin recurrir a experimentos en cada caso, el problema de

la complejidad queda resuelto.

Es necesario enfocar la funcin del vertedero no como un instrumento de

precisin, sino como un mtodo relativamente sencillo para captar el gasto

aproximado

156

x L.E.

H Ho

Q1

h1

h

Reja h2

Qr Q2

L

Bocatoma con rejilla de fondo. Captacin parcial

Bocatoma de Fondo

157

L.E.

H Ho

Q1 Reja

Qr = Q1

L

Bocatoma con rejilla de fondo. Captacin completa.

Tipo Mostkov:

Estim que la separacin entre las barras vara entre 2 y 6 cms. Propone la utilizacin de rejillas con barras de seccin rectangular o trapecial con la base mayor hacia arriba, colocadas paralelamente

en la direccin del flujo.

No aconseja las barras redondas por obstruirse ms rpidamente y por la dificultad de limpieza.

160

22

22

22 hgb

Qh

g

VhHo +=+=

Asumiendo un ngulo (pequeo) de la inclinacin de la rejilla respecto a la horizontal.

Realizando un Bernoulli entre secciones 1 y 2, tenemos que

(1)

b = Ancho de la rejilla en sentido perpendicular al ro.Ho = Constante para flujo con caudal decreciente.

22

22

22 hgb

Qh

g

VhHo +=+= (1)

161

Diseo de la Galera

Bajo la rejilla existe una galera de toma para colectar el agua

y conducirla a un canal lateral (tanquilla) en donde se hace un

lavado por medio de un desripiador, para luego entregar al

canal de conduccin.

El flujo de agua en sta galera es un caso con caudal variable

171

El flujo de agua en sta galera es un caso con caudal variable

en ruta y

Para el cual no existe una solucin exacta.

Sin embargo se tienen dos mtodos de clculo: Zamarn (1954)

y Hinds (1926).

criterios hidráulicos diseño captaciones dhe 2013 ig

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