diseño de tunel herradura
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HidraulicaTRANSCRIPT
APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO
EPIC
CALCULO HIDRAULICO DEL TUNEL
DISEÑO DEL PORTAL DE INGRESO
Caudal de Conducción Mínimo ( m³ / s ) 5.78
Caudal de Conducción Máximo ( m³ / s ) 32.50
Longitud ( m ) 6400.00
Cota de Fondo de Ingreso ( msnm ) 1579.39
Cota de Fondo Final ( msnm ) 1566.68
Sección Tipo Herradura: D ( m ) 3.65
Geometría del Túnel
0.8229 D 3.004 m
0.0886 D 0.323 m
0.4114 D 1.502 m
0.5000 D 1.825 m
Calculo del Tirante Normal
D 3.65 m
Q 32.50 m³ / s
n 0.015
S 0.002000
Constante " t "
APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO
EPIC
t = 0.35
Ingresamos al gráfico N° 2.7
0.93
3.39
Calculo del Tirante Crítico
Q 32.50 m³ / s
g 9.81 m / s²
D 3.65 m
Constante " w "
w = 0.408
Ingresamos al gráfico N° 3.10
t = F ( Yn ) = ( Q . n ) / ( D8/3 . S1/2 )
Yn / D
Yn
w = F ( Yc ) = Q / ( g1/2 . D5/2 )
APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO
EPIC
0.30 1.10
Yc < Yn [ FLUJO SUBCRITICO ]
Cálculo del Borde Libre
0.30 m 0.30 m OK!
3.35 m 3.39 m
Espesor del Túnel
Según Bureau of Reclamation, el espesor mínimo para el túnel es de 6" es decir 15 cm.
Características hidraúlicas de la sección Herradura
Y / D = 0.93 Ingresamos a la tabla 2.6 y obtenemos lo siguiente:
A / D² = 0.8052 A ( m² ) = 10.727277
R / D = 0.2947 R ( m ) = 1.075655
Yc / D Yc =
Borde Libre mínimo Borde Libre deter. =
Ymáximo Y determinado =
APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICO
EPIC
V = V ( m / s ) = 3.130 OK
V² / 2 g 0.499
E = E ( m ) = 3.894
Q = 33.58 OK
( 1 / n ) . R2/3 S1/2
hv = hv ( m ) =
Y + hv
DISEÑO DE TUBERÍA DE PRESIÓN
Cálculo del diámetro, espesor y peso de la tubería:
Para: H > 100 m ( F. BONDSCHU )
Cota de Fondo Inicio ( msnm ) 1566.68
Cota de Casa de Máquinas ( msnm ) 1220.00
Q ( m³ / s ) 5.78
Altura Bruta ( m ) 346.68 e = 38.00 mm
H = 1.1 H' + 20 401.35
1.20
V ( m / s ) 5.11 OK ! 1.20 m
e ( mm ) 38.00
Longitud de la Tubería ( m ) 1428.81
Peso específico de la Tubería ( Kg / m³ ) 7800.00
1117.40
Determinación de la Altura Neta
RUGOSIDAD EN LA TUBERIA ( n ) 0.010
COEFICIENTE DE FRICCION ( f ) 0.012
PENDIENTE DEL TUNEL 0.002
LONGITUD DEL TUNEL ( m ) 6400.000
LONGITUD DE LA TUBERIA ( m ) 1428.810
DIAMETRO DEL TUNEL ( m ) 3.650
CODO N° 01
14.56
12.34
15.64
14.28
0.59
D = ( 5.2 Q³ / H )1/7 ( m )
wt ( Kg / m )
a1
a2
a3
a4
KC
POR FRICCION EN LA TUBERIA 45.95
POR REJILLA 0.48
POR ENTRADA A LA TUBERIA DE PRESION 0.07
EN VALVULA TIPO COMPUERTA 0.27
CAMBIO DE DIRECCION CODOS 0.47
PERDIDA TOTAL 46.76
299.92
Cálculo de la Potencia a Plena Carga
Potencia
12828.01 Kw
Selección del Tipo de Turbina
Q = 5.78 m³ / s 299.92 m
Del Gráfico N° 20, obtenemos:
USAR FRANCIS: EJE VERTICAL
H NETA ( m ) =
P = 7.4 Q HNETA =
HNETA =
Cálculo del Espesor de la Tuberia
donde :
1000
H = 299.92 m
D = 1.20 m
7500000 kg/m²
e' = 0.005 m
0.0289932833733729m
Cálculo del Peso de la Tuberia :
852.12 kg/m
g =
t =
e =
W =
e = H * D * g / (2 * t ) + e'
W = g p * D * e
DIMENSIONAMIENTO DE UN ANCLAJE
14.56 ° 1117.40 Kg / m
12.34 ° 1130.97 Kg / m
L 45.00 m m 0.50
l 6.00 m V 4.80 m / s
H 17.90 m D 1.20 m
Q 5.78 m³ / s e 0.04 m
18.59 m 1.24 m
3.39 m f 1.11 °
FUERZAS ACTUANTES EN LA TUBERIA
FUERZA FORMULA MAGNITUD COMPONENTES
12640.85
12348.80
3177.83
6528.50
-6318.84
1395.22
21.02
20.53
5.28
1.35
1.32
0.34
2.90
2.83
0.73
48963.79
47832.56
12309.19
505.17
117.50
-491.32
392.19
91.22
-381.44
a1 wt
a2 wa
Hf D1
Hj
P1 wt L sen a1
P1X P1 cos a2
P1Y P1 sen a1
P2 0.5 ( wa + wt ) l cos a1
P2X P2 cos a2
P2Y P2 sen a1
P3 0.25 ( p D² Hf )
P3X P3 cos a2
P3Y P3 sen a1
P4 0.25 p ( D1² - D² ) Hj
P4X P4 cos a2
P4Y P4 sen a1
P5 0.745 p D1
P5X P5 cos a2
P5Y P5 sen a1
P6 m ( wt + wa ) L cos a1
P6X P6 cos a2
P6Y P6 sen a1
P7 2 V² wa Sen ( f / 2 ) / gP7X P7 sen ( a1 + a2 ) / 2
P7Y P7 cos ( a1 + a2 ) / 2
P8 2 wa H Sen ( f / 2 )P8X P8 sen ( a1 + a2 ) / 2
P8Y P8 cos ( a1 + a2 ) / 2
54095.93 Kg
16015.84 Kg
GEOMETRIA DEL ANCLAJE
B 12.00
b 7.50
H1 0.50
H2 3.00
H3 0.50
FIGURA BASE ALTURA
1 7.50 0.50
2 12.00 3.00
3 4.00 0.50
4 4.00 1.64
5 6.00 2.14
6 2.00 3.70
7 6.00 1.56
CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD
FIGURA
1 3.75 8.25 30.94 0.25 7.73
2 36.00 6.00 216.00 2.00 432.00
3 2.00 10.00 20.00 3.75 75.00
4 3.28 9.33 30.63 4.55 139.26
5 12.84 5.00 64.22 4.57 293.52
S FX
S FY
AREA Ai Xi Ai Xi Yi Ai Yi
A7
A6A5 A4
A3
A2
A1
B
H1
H2
H3
b
6 3.70 1.33 4.93 4.73 23.34
7 4.68 4.00 18.70 6.16 115.20
TOTAL 66.25 385.420 1086.062
CENTROIDE :
5.82 m -16.39 m
PUNTO DE APLICACION DE FUERZAS
17.92 m -0.46 m
VOLUMEN DEL ANCLAJE
ANCHO 2.30 m
AREA TOTAL 66.25 m²
VOLUMEN BRUTO 152.38 m³
LONGITUD DE TUBERIA 11.42 m
VOLUMEN DE TUBERIA 12.92 m³
VOLUMEN EFECTIVO 139.46 m³
PESO DEL ANCLAJE 334700.66 Kg
ESTABILIDAD DEL ANCLAJE
MOMENTO EQUILIBRANTE 2234154.21 Kg - m
MOMENTO DESEQUILIBRANTE -886809.91 Kg - m
MOMENTO RESULTANTE 1347344.30 Kg - m
XCG = YCG =
XP = YP =
FUERZA VERTICAL TOTAL 350716.50 Kg
LONGITUD DEL ANCLAJE 12.00 m
AREA DE BASE DE ANCLAJE 27.60 m²
CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO 10.00 Kg / cm²
COEFICIENTE DE VOLTEO 2.52 OK !
EXCENTRICIDAD 1.98 OK !
COEFICIENTE DE FRICCION 0.15 TIERRA
ESFUERZO ADMISIBLE DE APOYO 2.53 OK !
DIMENSIONAMIENTO DE UN ANCLAJE
15.64 ° 1117.40 Kg / m
14.28 ° 1130.97 Kg / m
L 45.00 m m 0.50
l 6.00 m V 4.80 m / s
H 17.90 m D 1.20 m
Q 5.78 m³ / s e 0.04 m
18.59 m 1.24 m
3.39 m f 0.68 °
FUERZAS ACTUANTES EN LA TUBERIA
FUERZA FORMULA MAGNITUD COMPONENTES
13555.92
13137.07
3654.57
6495.38
-6254.89
1602.16
21.02
20.37
5.67
1.35
1.31
0.36
2.90
2.81
0.78
48715.38
47210.17
13133.29
309.48
79.89
-298.99
240.26
62.02
-232.12
a3 wt
a4 wa
Hf D1
Hj
P1 wt L sen a1
P1X P1 cos a2
P1Y P1 sen a1
P2 0.5 ( wa + wt ) l cos a1
P2X P2 cos a2
P2Y P2 sen a1
P3 0.25 ( p D² Hf )
P3X P3 cos a2
P3Y P3 sen a1
P4 0.25 p ( D1² - D² ) Hj
P4X P4 cos a2
P4Y P4 sen a1
P5 0.745 p D1
P5X P5 cos a2
P5Y P5 sen a1
P6 m ( wt + wa ) L cos a1
P6X P6 cos a2
P6Y P6 sen a1
P7 2 V² wa Sen ( f / 2 ) / gP7X P7 sen ( a1 + a2 ) / 2
P7Y P7 cos ( a1 + a2 ) / 2
P8 2 wa H Sen ( f / 2 )P8X P8 sen ( a1 + a2 ) / 2
P8Y P8 cos ( a1 + a2 ) / 2
54258.75 Kg
17865.72 Kg
GEOMETRIA DEL ANCLAJE
B 13.00
b 9.50
H1 0.50
H2 2.50
H3 0.50
FIGURA BASE ALTURA
1 9.50 0.50
2 13.00 2.50
3 4.33 0.50
4 4.33 2.42
5 6.50 2.92
6 2.17 4.74
7 6.50 1.82
CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD
FIGURA
1 4.75 8.25 39.19 0.25 9.80
2 32.50 6.50 211.25 1.75 369.69
3 2.17 10.83 23.47 3.25 76.28
4 5.24 10.11 52.97 4.31 228.10
5 18.97 5.42 102.74 4.46 458.11
S FX
S FY
AREA Ai Xi Ai Xi Yi Ai Yi
A7
A6A5 A4
A3
A2
A1
B
H1
H2
H3
b
6 5.13 1.44 7.41 4.58 33.95
7 5.91 4.33 25.63 6.52 167.21
TOTAL 74.67 462.661 1343.131
CENTROIDE :
6.20 m -17.99 m
PUNTO DE APLICACION DE FUERZAS
14.29 m -1.17 m
VOLUMEN DEL ANCLAJE
ANCHO 2.30 m
AREA TOTAL 74.67 m²
VOLUMEN BRUTO 171.74 m³
LONGITUD DE TUBERIA 12.38 m
VOLUMEN DE TUBERIA 14.01 m³
VOLUMEN EFECTIVO 157.73 m³
PESO DEL ANCLAJE 378561.55 Kg
ESTABILIDAD DEL ANCLAJE
MOMENTO EQUILIBRANTE 2600839.90 Kg - m
MOMENTO DESEQUILIBRANTE -975992.72 Kg - m
MOMENTO RESULTANTE 1624847.18 Kg - m
XCG = YCG =
XP = YP =
FUERZA VERTICAL TOTAL 396427.26 Kg
LONGITUD DEL ANCLAJE 13.00 m
AREA DE BASE DE ANCLAJE 29.90 m²
CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO 10.00 Kg / cm²
COEFICIENTE DE VOLTEO 2.66 OK !
EXCENTRICIDAD 2.10 OK !
COEFICIENTE DE FRICCION 0.14 TIERRA
ESFUERZO ADMISIBLE DE APOYO 2.61 OK !
DISEÑO DE CAMARA DE CARGA
1,- CALCULO DEL VOLUMEN DE LA CAMARA DE CARGA :
Sí : Q = 5.78 m³/s
289 m³/s V 578 m³/s
2,- CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CAIDA DE LAS PARTICULAS:
0.4 mm
Asumiendo:
T =
0.4 mm
6.09 cm/s
3,- CALCULO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO EN LA CAMARA :
La Velocidad dentro de la Camara de Carga debe estar en el siguiente intervalo :
Segun CAMP :
donde : a = 44
Diametro de la particula.
V = 27.83 cm/s
0.2 0.28 0.6
4,- CALCULO DE LA SECCION NECESARIA:
La sección necesaria para el desarenador está dado por :
donde : Q : Caudal minima garantizado.
fs =
25oc
fs =
Vel.dec =
Coef. que depende de fs = fs =
50 Q < v < 100 Q
< <
0,2 < V < 0,6
V = a raiz(f)
< <
A = Q / V
V : Veloc. de sedimentacion
A = 20.77 m²
La h (altura) debe estar :
1.50 H 3.00
Asumiendo :
H : 2.80 B : 7.42
H : 2.80
B : 7.50
A = 21.00 m²
V = 0.278 m/s
La velocidad se encuentra entre el rango establecido
6,- DETERMINACION DE LA LONGITUD DE LA CAMARA DE CARGA:
V
h
V = Velocidad del agua. h = Profundidad media del
U - W deposito. U = Velocidad de Sedimentación
vertical en aguas tranquilas. W = Velocidad retardatriz vertical
del agua en movimiento.
L U = 3.80 cm/s
W = 0.0229 m/s
W = 2.29 cm/s
calculando la longitud de decantación tenemos que :
L = 51.55 m
< <
W = V / (5,70 + 2,30h)
L = (h * v)/(U - W)
Por razones practicas y por dar margen de longitud de caida de las particulas en suspención y tratando de asegurar el volumen necesario tomarems como solución una :
L = 55.00 m
La camara de carga tiene las siguientes dimensiones :
b = 7.5 m
H = 2.8 m
L = 55.00 m
Vol = 500 m³
7,- VERIFICACION DE LA CARGA DE AGUA SOBRE EL INGRESO DE LA TUBERIA DE PRESION
donde :
Ao = Sección de ingreso de la tuberiaA A = Sección necesaria de la tuberia
El area de un orificio y el del vena contraida esta seleccionada por:
donde:
C = 0.6 Ao =
Reemplazando tenemos :
1.6667
1.55 m
Por continuidad tenemos :
A / Cc
( Do/D )² =
Do =
HHo
Ao
H >= V0² / 2g
A = Cc * Ao
A = p D² / 4 Ao = p Do² / 4 Cc = (Do / D)²
Ao * Vo = A * V
1.88 m²
A = 1.13 m²
3.07 m/s
H = 0.48 m
Segun el criterio de Winkel, la distancia ha de tener un valor mínimo segun la expresión :
( I )
V = 16.06 m/s
H = 3.28 m
3.30 m
Ca = 1570.17 m.s.n.m
Pendiente de la Camara de Carga :
Asumimos :
Pendiente Longitudinal : 10.00% Pendiente Transversal : 14.00%
8,- CALCULO DEL ALIVIADERO DE LA CAMARA DE CARGA
Adoptamos un vertedero de sección rectangular por el mismo muro donde se encuentra ubicada la compuerta de purga.
donde : C = 2.10 L = 2.00 Q = 5.78 m³/s
H = 1.24 m
1.25 m
9,- CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION :
Ao =
Vo =
Ha =
Ha =
H >= Vo²/2g
H = 0,25 * V² / 2gV = 4 * Q / d²
Q = C * L * H^(3/2) H = (Q / C * L)^(2/3)
7.503.65 12.5
L = 8.68
9.509.50 45.50
muros laterales de ésta cámara :
Cota de Muro = 1571.92 m.s.n.m
f =
La =
CALCULO DE CANAL (BOCATOMA - DESARENADOR)
z = 1.00
b = 2.25
y = 1.75
y = P = 7.200 m
A = 7 m²
n = 0.015
b = R = 0.972 m
Q = 20.48 m³/s
CALCULO DEL DESARENADOR
1,- DETERMINACION DE LA VELOCIDAD DE CAIDA " W " DE LAS PARTICULAS
A) FORMULA DE HAZEN :
(m/s)
(m/s)
T = 26u = 8.76E-07 m²/s
1.00E-03 kg/cm³2.43E-03 kg/cm³
g = 9.81 m/s²
W = 0.356 m/s
W = 35.587 cm/s
B) POR DIAGRAMA DE SELLERIO:
W = 4.500 cm/s
C) POR FORMULAS DE OWENS:
W =
f < 0,1 mm W = (1/18u) * g * (gs - g) * f²
f > 0,1 mm W = (1/18u) * g * (gs - g) * f
oc
g = gs =
K * raiz(f * (gs - 1))
donde : k = 1.28
W = 3.06 cm/s
D) POR DIAGRAMA DE SU DRY
1.03
W = 5.90 cm/s
E) FORMULA SCOTTY - FOGLIEN
W =
W = 7.93 cm/s
F) FORMULA DE KREY :
(m/s)
(m/s)
W = 12.40 cm/s
G) FORMULA DE BOSTERY :
W =
W = 22.00 cm/s
H) FORMULA DE GUICCIANDI :
W =
W = 14.33 cm/s
Considerando el promedio del metodo de Su Dry t Scotty :
Granos ordinarios de cuarzo f < 0,7 mm
g agua =
3,8 * raiz(f ) + 8,3 * f
f =< 2 mm f * (gs - 1) = 0,007 * W1,2
f >= 2 mm f * (gs - 1) = 0,00064 * W2
( 10 - 12) * raiz(f)
( f / 0,005)^(1/1,3)
W = 6.92 cm/s
2,- PROFUNDIDAD DEL TANQUE: h = 1,5 - 4
h = 3.00 m
2,- CONSIDERANDO EFECTOS DE TURBULENCIA
A) Coeficiente de reducción de velocidad segun Bestelli Burli ( w - w') :
W' =
0,132/raiz(h) w' = 0.0212 m/s
Calculando la Longitud de Sedimentación :
L = 17.41 m
B) Formula de Eghiazroff
w' = 0.0221 m/s
L = 17.73 m
C) Utilizando Coeficientes de Corrección "k
K = 1.45
L = 17.50 m
Consideramos la L =
L = 17.50 m
3,- CALCULO DE LAS DIMENSIONES DEL DESARENADOR CON EL METODO DE DOBBINS CAMP
Q = 19.50 m³/s
A) Calculo de la base de Tanque :
B = 23.358 m
B) Calculo del Radio Hidraulico :
R = 2.387 m
a * v
a =
C) Calculo del Coeficiente "c" de Chezy:
C = 77
C = 80
D) Calculo de la pendiente Longitudinal del Tanque:
i = 5.06939279565558E-06
E) Calculo de la Relación :
De la grafica de Camp :
C1 = 42.32
W*L/(V*h) = 0.95
L = 11.47 m
4,- CALCULO DEL TIEMPO DE SEDIMENTACION:
t = 43.38 s
5,- VOLUMEN DE AGUA CONDUCIDA EN ESE TIEMPO:
V = 845.86 m³
1226.50 m³
6,- CALCULO DE LA VELOCIDAD DE CAIDA TEORICA CON EFICIENCIA AL 100%
Wo = 47.70 mm/s
W = 30.61 mm/s
Ingresando al diagrama de CAMP :
(W/Wo) = 0.64 122*W/V= 13.42 E = 65%
7,- CALCULO DEL CAUDAL DE PURGA
q = 1.95 m³/s
V1 =
Asumiendo un orificio de : b' = 0.30 m t' = 0.30 m cada ,30
q' = 0.105 # de Orificios = 19