UNI-FIC Diseño de Bocatomas
(solo para uso académico)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGIA
CURSO HH-413-IRRIGACIÓN
DISEÑO DE BOCATOMAS
APUNTES DE CLASE
por
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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(solo para uso académico)
PROLOGO
Es un grato placer volver a escribir unas líneas sobre un tema que al inicio fue
abordado como curiosidad profesional y que en este momento se ha vuelto un punto
importante para mi desarrollo profesional y ha causado que estemos elaborando un
documento que será el inventario de las Bocatomas existentes en el País, donde
aparecerán todo los datos referentes a fecha de estudios, de construcción, quienes fueron
los constructores y cual ha sido su funcionamiento desde el punto de vista hidráulico y
si son necesarios ejecutar mejoras para garantizar la captación de los caudales de diseño.
Es por este motivo que debido a la presión a ansia de conocimiento que vienen
ejercitando, los estudiantes de lngeniería Civil de Ia Universidad Nacional de lngeniería,
sobre los profesores, en especial en el área de Hidráulica o Hidrología, me siento
obligado y con mucho gusto, a dictar el curso sobre Estructuras de Derivación, con el
compromiso de que este pequeño libro se vea prontamente incrementado con una
descripción teórica de cada tema y un cálculo explicativo que permita a los usuarios
disponer de un elemento de consulta y no de un formulario.
Agradeciendo a la Promoción 93-Il “Adolfo Fischer R.” por e1 apoyo
desinteresado prestado en la elaboración del texto del Curso, así mismo, me enorgullece
agradecer a dos distinguidos colegas, los lngenieros German Vivar y Nicolás De
Piérola, quienes desinteresadamente han volcado sus conocimientos en la parte de
Geotecnia e Hidrológia, para que este curso, alcance el éxito que sus auspiciadotes
desean en bien de la Ingeniería Hidráulica del Perú.
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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INDICE
1. DESARROLLO HISTORICO DE LAS BOCATOMAS
1.1
Bocatoma
1.2
Elementos Fundamentales a ser tomados en cuenta
previo al Diseño de las Bocatomas
1.2.1 Ubicación
1 2 2 Topografía
1.2.3 Condiciones Ecológicas y Geotécnicas
1.2.4 Información Hidrológica
1.2.5 Condiciones Ecológicas
1.2.6 Otros
2.
5
5
7
7
8
8
9
9
9
ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS DE DESCARGA
21
Metodología de Cálculo
2.1.1 Cuencas con registros
2.2
Análisis de Máximas Avenidas
2.2.1 Distnbución Gumbel
2.2.2 Distribución Log-Pearson III
2.2.3 Ejemplos de Aplicación
2.3
Caudal Medio
2.3.1 Curva de Duración
2.3.2 Elaboración de una Curva de Duración
2.3.3 Ejemplo de Aplicación: Curva de Duración
2.4
Caudal Mínimo
2.4.1 Curva de Frecuencias Empíricas
2.4.2 Curva de Distribución de Probabilidades
10
10
10
10
11
12
13
15
15
15
15
16
16
17
3. DISEÑO HIDRAULICO
3.1
Tipos de Bocatomas
3.2
Relación entre la Localización de la Estructura de Toma
y la Presa de Derivación
3.3
Condición del Lecho de la Presa de Derivación
3.3.1 Perforación
3.3.2 Calicatas
3.3.3 Sondeos
3.3.4 Ensayos de Bombeo
3.3.5 Ensayos Sobre Pilotes
3 3.6 Movimiento del Lecho del Rió Durante Ia
Época de Avenidas
3.4
Determinación del tipo de Cimentación del Barraje Vertedero
3.5
Relación entre el Barraje, Vertedero Fijo y el Móvil
3.6
Efecto del Remanso Causado en el Rió por Ia
Construcción del Barraje Vertedero
3.6.1 Método del Paso Directo
3.6.2 Método Aproximado
3.7
Barraje Vertedero o Azud
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
19
20
20
20
21
21
23
24
24
24
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3. 8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
(solo para uso académico)
3.7.1 Altura del Barraje Vertedero
3.7.2 Forma de la Cresta del Barraje Vertedero.
Solado o Colchón Disipador
3.8.1 Longitud del Solado o Colchón Disipador.
3.8.2 Espesor del solado o Colchón Disipador
Enrocado de Protección o Escollera
Control de Infiltración
Canal de Limpia
3.11.1 Velocidad requerida para el Canal de Limpia
3.11.2 Ancho del Canal de Limpia
3.11.3 Pendiente del Canal de Limpia
Toma o Captación
3.12.1 Criterios Generales
3.12.2 Estructuras Componentes de la toma
3.12.2.1 Rejilla (Trash Racks)
3.12.2.2 Ventana de Captación.
3.12.2.3 Cámara de Decantación o Desripiador
3.12.2.4 Compuerta de Regulación.
3.12.2.5 Transición.
3.12.2.6 Estructuras de Disipación
3.12.2.7 Aliviaderos
Muros de Encauzamiento
Diques de Encauzamiento
3.14.1 Calculo del Tamaño de Roca
Diseño de Compuerta de Limpia Gruesa
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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29
29
32
33
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35
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37
37
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42
42
42
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1. DESARROLLO HISTORICO DE LAS BOCATOMAS EN EL PERU
Es ampliamente conocida la vocación hidráulica del poblador peruano a través del
tiempo; muchas obras de irrigación a lo largo de todo el territorio atestiguan la calidad y
funcionalidad de dichas obras, entre ellas tenemos: El Canal de Achirana en lca, El
Canal Huaca La Cruz en Lambayeque, El sistema de regadío en Nazca e lca, El
abastecimiento de agua a la ciudad del Cuzco y Machupicchu.
Así podríamos ampliar la lista anterior citando numerosos ejemplos de obras
hidráulicas; pero conviene hacer notar que en las épocas pre-inca e inca son donde se
construyen estas obras, entrando a un oscurantismo en la época colonial y en los inicios
de la época republicana.
Con la llegada del ingeniero Charles Sutton, la Ingeniería Hidráulica en el Perú retoma
la senda del progreso; es en esta época que el ingeniero Sutton en compañía de jóvenes
ingenieros peruanos (Mercado, Góngora, Lama, Gilardi, etc.) logran la concepción y en
algunos casos la construcción de algunas obras hidráulicas nuevas o complementarias
que permitieron el incremento de la frontera agrícola.
Pero desgraciadamente nunca ha existido una política de continuidad para la
construcción de obras hidráulicas proyectadas, sino que estas han continuado de estudio
en estudio buscando la rentabilidad de los proyectos, situación no imposible de lograr,
pero si bastante difícil de conseguir en nuestro país por las razones ya conocidas
(dificultades topográficas, precios bajos de los productos agrícolas, etc.)
Por estas razones, y debido a la falta de una política agraria de parte de nuestros
gobernantes es que, si se desarrollan proyectos, estos han sido ejecutados muy
espaciadamente. A raíz de la presencia de las entidades crediticias internacionales tales
como: BIRF, BID, AID, etc., es cuando se logra retomar una nueva etapa o repunte de
la construcción de pequeñas, medianas y grandes irrigaciones y/o proyectos de
recuperación de terrenos agrícolas afectados por salinidad o empantamiento.
Dentro de este contexto se han desarrollado los proyectos de riego o mejoramiento de
tierras, y en los cuales una de las principales partes del proyecto ha sido la captación del
agua desde la fuente del suministro. En este curso nos ocuparemos de aquella captación
que se origina en un rió, en estas condiciones se le conoce como bocatoma o estructura
de captación de cabecera y en los textos en ingles se les denomina Headworks, Intakes,
etc.
1.1 Bocatoma
Se define así a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que
discurre en un rió, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su
utilización en una central hidroeléctrica.
En este curso sólo trataremos de aquellas tomas que captan en forma directa las aguas
del rió sin ninguna estructura de almacenamiento; tipo presa.
Realizando una visión a través del tiempo, desde un punto de vista técnico, podemos
establecer tres etapas del desarrollo de la construcción de bocatomas.
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a. Empleo de madera y piedras
Ante las limitaciones de las técnicas de uso del concreto, manufactura del acero o
generación de energía, se usaron la madera y piedras (caballos) como elementos
principales para la construcción de las bocatomas. Es conocido que las bocatomas
construidas de este modo son arrastradas y destruidas durante la época de avenidas a
pesar de que se construyen tratando de darle la menor resistencia al efecto erosivo del
rió. (ver fig.1)
b. Empleo del acero y el concreto
Esta etapa se caracteriza con la aparición de nuevas técnicas de fabricación del concreto
y el acero, así como la introducción de la energía eléctrica para la operación y
construcción, haciendo posible la edificación de vertederos rígidos con mayor
resistencia. Sin embargo, esto genera problemas de roturas en los diques laterales,
debido al impacto directo de las aguas hacia ellos, tal como se indica en la fig.2 . Para
prevenir este problema se recomienda construir el vertedero en el ángulo recto con
respecto a la dirección del flujo, siendo la mayor parte del cauce del río cubierto por el
vertedero o barraje. (fig.3)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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c. Empleo de maquinaria pesada
La etapa más reciente se caracteriza con la aparición de potentes maquinarias para la
construcción civil (retroexcavadoras, bulldozers, etc.) y el empleo de nuevas técnicas en
ingeniería civil y en la comunicación, los que han permitido la construcción de
cimentaciones que pueden alojar compuertas de grandes luces que son accionadas por
equipos con sistemas eléctricos o hidráulicos, recomendándose siempre la necesidad de
contar con un equipo auxiliar independiente para casos de emergencia.
Actualmente existen grandes luces de vertederos móviles que son controlados con
censores a control remoto que permiten un manejo mas apropiado del caudal del río que
discurre a través de la bocatoma. (fig. 4)
1.2
Elementos Fundamentales a ser tomados en cuenta previo al Diseño de
Bocatomas
Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos:
1.2.1 Ubicación
Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del rió, para la que se
recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones:
a.
La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida.
b.
La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje.
c.
La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el
máximo posible.
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado
inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río
(fig. 5)
Lógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las condiciones topográficas
(cota de captación), condiciones geológicas y geotécnicas, condiciones sobre facilidades
constructivas (disponibilidad de materiales), evitar posibles inundaciones a daños a
construcciones vecinas, etc.
Existe posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se va a
regar utilizando una misma estructura las dos márgenes, en este caso se recomienda la
ubicación del barraje estará en un tramo recta del río.
1.2.2
Topografía
Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos:
a.
b.
c.
d.
Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas
arriba como aguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.
Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se
recomienda un área de 100m. x 100m. como mínimo, la escala no debe ser
menor de 1:500.
Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como
aguas abajo del eje del barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 Y V =
1:200.
Secciones transversales del cauce del río a cada 50m. en un tramo
comprendido 1000m. aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del barraje; la
escala variara entre 1:100 y 1:200.
1.2.3 Condiciones Geológicas y Geotécnicas
Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya
que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios
geológicos – geotécnicos:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Curva de graduación del material conformarte del lecho del río
Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la
bocatoma.
Coeficiente de permeabilidad.
Capacidad portante
Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas
Cantidad de sedimento que transporta el río.
1.2.4 Información Hidrológica
Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que esto
permitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los
elementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son:
a. Caudal del diseño para una avenida máxima.
b. Caudales medios y mínimos.
c. Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.
Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la bocatoma,
se ha ejecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo
que se da por descontado que existe un estudio hidrológico sumamente detallado, y que
para nuestro caso, sólo se usaran los datos anteriormente recomendados.
1.2.5. Condiciones Ecológicas
Siempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona,
sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no
alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este
desequilibrio causado por la bocatoma; aunque debemos reconocer que, en nuestro país
estas estructuras son de costo elevado y que siempre se tratan de obviar por limitaciones
presupuéstales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones.
1.2.6
Otros
En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en
cuenta para la construcción de la bocatoma; estas son de orden legal, ya que, mediante
la bocatoma por efecto del remanso que se forma, podrían inundarse terrenos aledaños o
construcciones anteriores (puentes, caminos, etc.).
Asimismo en algunos casos será necesario pedir autorización del Instituto Nacional de
Cultura por la existencia de restos arqueológicos. Por este motivo, todo diseño se deberá
ser previamente coordinado con todos los demás entes estatales y particulares que estén
relacionados de alguna manera con el río donde se va a construir la bocatoma, con el fin
de evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la
construcción de una estructura en el mismo cauce.
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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2.
ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS
(En revisión por el Dr. Julio Kuroiwa Zevallos).
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DE
DESCARGA
El diseño de estructuras hidráulicas esta íntimamente ligado al conocimiento de las
descargas de un río; en el caso de bocatomas importa de manera especial la descarga
máxima, el valor medio y los valores mínimos; así como la ley de probabilidad de
ocurrencia de los mismos.
Dependiendo de la magnitud de la obra a diseñar puede ser también necesario conocer
algunos elementos complementarios que permitan adecuar la operación de las
estructuras al comportamiento del cauce.
El problema que comúnmente enfrentamos en el país es la falta de un registro histórico
extenso y consistente que permita implementar las metodologías comúnmente
conocidas en el tratamiento de la información, por lo que es importante considerar
aquellas metodologías que permitan inferir valores de diseño bajo estas circunstancias.
Conviene señalar que existen diversas metodologías para el tratamiento de la
información, las cuales no podrán ser tratadas en el desarrollo del curso por la
orientación y naturaleza del mismo.
2.1
Metodología de cálculo
2.1.1
Cuencas con Registros
En este caso podemos observar la posibilidad de que se disponga de registros suficientes
en la sección de interés para el diseño, o que la misma se halle a cierta distancia aguas
arriba o abajo de la sección de control y por lo tanto muestre diferencias en cuanto a
valores de descargas con relación a las disponibles. Como consecuencia de esta
diferencia entre secciones existirá diferencias de valores debidos al aporte diferencial,
pérdidas o usos de terceros.
2.2
Análisis de Máximas Avenidas
Si disponemos suficiente información, esto es una serie de registros de 15 años a más y
disponemos de un valor por cada año, el procedimiento de cálculo es el convencional,
esto es, el uso de una serie anual. Si no contamos con esta información pero si de
valores lo suficientemente altos en más de uno por año podemos enfrentar el análisis
mediante una serie parcial con la condición básica de que los valores sean
independientes, esto es, no correspondan a un mismo evento meteorológico.
Otro aspecto a considerar es el hecho de que en las cuencas típicas de los andes, la
pendiente, cobertura vegetal, longitud de cauce y morfología, hacen posible una
diferencia significativa entre el caudal medio diario y el caudal máximo instantáneo: par
lo que muchos casos es conveniente y necesario realizar una corriente que permita
ajustar el diseño a las condiciones más severas.
La serie anual a parcial se ajusta luego a cualquiera de las funciones teóricas de
probabilidad más conocida entre ellas:
-
Gumbel
Log-Pearson Ill
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-
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Log-Normal II y Ill
2.2.1 Distribución GUMBEL
Se define a partir de las ecuaciones:
-w
-e
P [Q < Qol =1- (e)
Donde:
W = (Qi - Qm + O.45 ó) / (O.7797 ó)
T =1/F
Donde:
P [Q Qo]
T
F
Qm
: Probabilidad de ocurrencia de una avenida Q menor 0
igual que Qo.
: Período de retorno del evento
: Frecuencia de ocurrencia del evento.
: Media de la serie de avenidas
Qi
Ó
e
: Avenida del año
: Desviación estándar
: Base de logaritmo neperiano.
(2.1)
(2.2)
(2.3)
El procedimiento de ajuste a la ley de Gumbel de una serie de avenidas observadas Qi
se puede resumir en:
a)
b)
Seleccionar de cada serie anual disponible de caudales medios diarios o
instantáneos un valor máximo y formar de esta manera la serie Qi de avenidas de
extensión N.
Calcular las estadísticas correspondientes: Media, Desviación
estándar,
coeficiente de asimetría.
Qm = Qi / N
ó =
c)
[ (Qi
(2.4)
- Qm)2 / (N - 1)]1/2
(2.5)
Ordenar de mayor a menor asignando las correspondientes frecuencias según el
criterio Weibull:
F = rn/(N+1)
(2.6)
Donde
m
: número de orden, siendo m = 1 para la mayor avenida de la serie
Qi y m = N correspondiente a la menor avenida.
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N
: número total de datos de avenida.
F
: P[Q≤ Qo]
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d)
Hallar la función teórica de Gumbell según las expresiones teóricas dadas por
(2.1)y (2.2), previa corrección por la longitud de registro. Calcular para valores
de T y graficar la línea teórica en el papel de distribución. Extrema
(GUMBELL).
e)
En el papel Gumbell y sobre la recta de la distribución dibujada hallar los
Qmax correspondientes a distintos periodos de retorno de interés.
Esto también se puede hacer directamente con la formula:
QT = Qm - o.{O.45 + O.7797 Ln [LnT - Ln (T-1)]}
(2.7)
Donde:
QT : avenida correspondiente a periodo de retorno T.
2.2.2 Distribución LOG-PEARSON Ill
Se define a partir de La ecuación:
Log QT = Log Q + K. ó LogQ
(2.8)
En donde:
QT
: Máxima avenida correspondiente al periodo de retorno T.
Log Q : Promedio de los logaritmos de la serie Qi, siendo:
Log Q = ∑ Log Qi /N
ÓLogQ
: desviación
estándar de los logaritmos de la serie Qi,
cuya fórmula es:
ÓLogQ = [ ∑ (Log Qi - Log Q )2 / (N-1) ]1/2
K
(2.9)
(2,10)
: factor de frecuencia correspondiente a un T dato. Este
factor se obtiene de Ia tabla 1 mediante el coeficiente de sesgo
(Cs). Tener en cuenta K = f1 (P,Cs) ó K = f2 (T,Cs).
El coeficiente de sesgo se calcula mediante la formula:
CS logO = {N x ∑( Log Qi – Log Q )3}/ { (N-1) . (N-2) . ó3 LogQ
(2.11)
El coeficiente de sesgo Cs utilizado es el corregido de acuerdo a la longitud del registro
según:
Csc = Cs. (1 +(6 /N) )
(2.12)
AQUI VA LA TABLA 1
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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(solo para uso académico)
Se gráfica los puntos teóricos (mínimo 3); se ajusta la línea sobre el conjunto de puntos
observados de la relación caudal máximo (Qmax) vs ProbabiIidad
(1 -(m/N+1)).
2.2.3 Ejemplos de Aplicación
a.
Distribución GUMBELL
Se dispone de la serie de descargas máximas del río Fortaleza en la estación Alpas
durante el periodo de 1956 a 1975, es decir N = 20 años. En la tabia 2 se muestra la
serie. En la columna (3) se ha ordenado estos valores de mayor a menor. En la columna
(4) se anota m con m = 1 para la mayor descarga.
Igualmente en a columna (5) se anota el período de retorno T calculado según:
T = (N +1)/m
(2.13)
Los parámetros media y desviación estándar calculados son:
Qm = 253.683 m3/s, ó = 90.879 m3/s
El cálculo por ejemplo para cada 4 periodos de retorno:
T = 10, 50, 100 y 200 se hace aplicando la ecuación (2.7)
QT = Qm – ó. { 0.45 + 0.7797 Ln [ Ln T – Ln (T – 1) ]}
Los caudales calculados para los periodos de retorno se dan en la tabia 3.
La recta de la función teórica se trata en papel Gumbel (Log-probabilística)
empleando parejas de QT vs T, tal como muestra el grafico 1.
En Ia columna (6) de la labia 2 se muestra la frecuencia según:
F=1- 1/T
(2.14)
El gráfico 2 muestra la función ploteada.
1
Fecha
2
Caudal
1956
1957
1958
1959
1960
1961
1962
333.0
244.8
287.1
356.6
379.5
406.2
413.3
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
3
Orden
Descendente
413.5
406.2
379.5
356.6
333.0
305.4
295.6
4
N° de
Orden
1
2
3
4
5
6
7
5
Período
Retorno
21.000
10.500
7.000
5.250
4.200
3.500
3.000
6
Frecuencia
(excd)
95.2
90.5
85.7
81.0
76.2
71.4
66.7
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287.1
252.9
244.8
238.7
223.5
214.0
204.7
200.9
159.1
154.7
145.8
142.6
115.1
200.9
142.6
204.7
145.8
305.4
115.0
159.1
295.6
238.7
223.5
214.0
252.8
154.7
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
d)
(solo para uso académico)
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
61.9
57.1
52.4
47.6
42.9
38.1
33.3
28.6
23.8
19.0
14.3
9.5
4.8
2.625
2.330
2.100
1.909
1.750
1.615
1.500
1.400
1.313
1.235
1.167
1.105
1.050
Distribución LOG-PEARSON III
En la misma serie del río Fortaleza, estación Alpas se aplica la función Log-Pearson III.
De acuerdo a las ecuaciones (2.8), (2.10) y (2.11) se tiene que los parámetros son:
Log QT = 2.46016 , ó Log Q = 0.1844 , Cs LogQ = -1.4694
Los cálculos efectuados aparecen tabulados en la tabla 4.
De modo que la ecuación final es:
Log QT = 2.46016 + 0.1844 k
Utilizando la tabla 1 se deducen las parejas Cs (Coeficiente de sesgo) y K para valores
de T dados. Por ejemplo si deseamos calcular K para T = 10, 50, 100, 200 años se
tienen los resultados en la tabla 5 utilizando la ecuación 2.15
QT (m3/s)
372.2
489.2
538.7
588.0
T
10
50
100
200
Qi
LogQi
413.5
406.2
379.5
356.6
333.0
305.4
295.6
287.1
252.9
244.8
238.7
223.5
2.616
2.609
2.579
2.552
2.552
2.485
2.471
2.458
2.403
2.389
2.378
2.349
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
(LogQi-LogQ)∧2 (LogQi-LogQ)∧3
0.0244
0.0221
0.0142
0.0085
0.0039
0.0006
0.0001
0.0000
0.0033
0.0051
0.0068
0.0123
0.0038
0.0033
0.0017
0.0008
0.0002
0.0000
0.0000
0.0000
-0.0002
-0.0004
-0.0006
-0.0014
F(exed)
4.8
9.5
14.3
19.0
23.8
28.6
33.3
38.1
42.9
47.6
52.4
57.1
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UNI-FIC Diseño de Bocatomas
2.3
0.0168
0.0222
0.0247
0.0668
0.0733
0.0879
0.0937
0.1593
2.330
2.311
2.303
2.202
2.189
2.164
2.154
2.061
214.0
204.7
200.9
159.1
154.7
145.8
142.6
115.1
T
10
50
100
200
(solo para uso académico)
Cs
-1.4694
-1.4694
-1.4694
-1.4694
K
1.0247
1.2700
1.3180
1.3510
-0.0022
-0.0033
-0.0039
-0.0173
-0.0198
-0.0260
-0.0287
-0.0636
61.9
66.7
71.4
76.2
81.0
85.7
90.5
95.2
QT
445.774
494.707
404.893
512.017
Caudal Medio
2.3.1 Curva de Duración
Una forma muy usual de representar la distribución de valores de caudales es mediante
la curva duración. Esta curva muestra el porcentaje de tiempo que un especificado
caudal fue igualado o excedido durante el periodo de análisis o registro. Si el periodo es
largo la curva se aproxima a la distribución de probabilidades de la variable.
Estadísticamente la curva de duración no es más que una curva de frecuencia acumulada
de una serie de tiempo continua, mostrando la duración relativa de varias magnitudes.
Es importante mencionar que la pendiente de esta curva depende grandemente del
periodo de observación analizado.
2.3.2 Elaboración de una Curva de Duración
a.
Ordenar los caudales medios (anuales, mensuales o diarios en forma decreciente,
tal que m = 1 corresponde al máximo valor y m = N el valor mínimo.
b.
Contar el número de veces que una magnitud de caudal dada es igualada o
excedido.
c.
Calcular el porcentaje de tiempo correspondiente, mediante:
P = (m/n) x 100
d.
Plotear en papel semi-log caudal vs P (Q ≥ Q0)
(2.16)
2.3.3 Ejemplo de Aplicación: Curva de Duración
Se muestran los caudales medios anuales del río Chicama en la estación Salinas para el
período 55/56 - 74/75, es decir N = 20 años.
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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(solo para uso académico)
En la tabla 6 se muestran los cálculos para la elaboración de la curva de duración.
En el gráfico 3 se ha ploteado caudal medio vs probabilidad.
FECHA
Q(m3/s)
Q en orden
(*)
decreciente
44.0
32.9
1955/56
35.0
34.3
1955/56
34.3
21.4
1955/56
33.4
22.0
1955/56
32.9
20.0
1955/56
32.7
16.3
1955/56
32.0
32.0
1955/56
30.5
17.8
1955/56
24.2
24.2
1955/56
23.6
23.6
1955/56
22.0
12.5
1955/56
21.4
32.7
1955/56
21.0
4.6
1955/56
20.0
11.7
1955/56
17.8
15.6
1955/56
16.3
30.5
1955/56
15.6
35.0
1955/56
12.5
44.0
1955/56
11.7
21.2
1955/56
4.6
33.4
1974/75
(*) Caudales medios anuales medidos
2.4
Caudal Mínimo
2.4.1
Curva de Frecuencias Empíricas
m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
P(Q≥=Qo)*100
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
El procedimiento para elaborar una curva de probabilidades empírica es el siguiente:
a.
b.
Seleccionar los valores de Q tomando el mínimo valor de la serie caudal
mínimo anual.
Ordenar los valores Q en forma decreciente.
c.
Calcular la probabilidad mediante la formula:
Pm = m / (N +1)
Donde:
(2.17)
m: orden
N: número total de años
Pm:P[Q ≥ Q0]
d.
Calcular el periodo de retorno Tm mediante la siguiente fórmula:
Tm = 1 / (1+Pm)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
(2.18)
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e.
(solo para uso académico)
Plotear en papel aritmético los valores de Qm vs Pm o Tm o ambos, para el
m = 1........... N. Dibujar una curva suave para los datos ploteados.
2.4.2 Curva de Distribución de Probabilidades
Pare caudales mínimos se pueden usar funciones teóricas como Gumbel, Log Normal 2,
Log Normal 3, Gamma 2, entre otras. Por ser una de las mas empleadas, seguidamente
se describe la distribución de Gumbel para mínimos.
Sea la ecuación:
Y = E + (O - E).ewL
(2.19)
En donde:
E : valor de la sequía mínima
0 : valor de la sequía característica (valor de Q cuando w = 0).
Y: probabilidad de que un caudal mínimo sea igualado o excedido, calculada por la
siguiente formula:
Y = P[Q ≥ Q0] = m / (N-1)
(2.20)
Y está relacionado con el periodo de retorno T mediante la fórmula
T = 1/(1 - ( m / (N+1) ) )
(2.21)
La solución de la ecuación (2.19) se logra estimando valores para los parámetros E, 0 y
L.
El procedimiento es el siguiente:
a.
Calcular promedio Qm y ó (desviación estándar) de la serie de mínimos según:
Qm = ∑Q1 / N
(2.22)
ó = ( ∑(Q - Qm)2 / (N -1) )1/2
(2.23)
b.
Identificación de sequía mínima observada Q1
c.
Estimación de TN según:
TN = (Qm – Q1) / ó
(2.24)
d.
Cálculo de parámetro L en función de TN y N. Empleando el gráfico 4, entrar
con TN y N, y hallar eI valor de L.
e.
Calcular el valor de E con la ecuación:
E = Q1 – (Qm – Y1) / NL – 1)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
(2.25)
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f.
(solo para uso académico)
Calcular 0 según:
O = Qm –E / (T(1+L) - E)
(2.26)
Donde, T: Función Gamma que aparece en la tabla 7
g.
h.
2.4.2.1
Resolver la ecuación (2.19) para diferentes valores W.
Plotear en papel Gumbel de mínimas los valores Y vs W
Caso cuando E = 0
a. Estimar media y desviación estándar: Qm ,ó.
b. Calcular valor de L en el gráfico A entrando con valor Qm / ó
c. Calcular 0 con la ecuación:
θ = Qm / T(l+L)
(2.27)
d. Resolver Y para diferentes valores de W según ecuación:
Y = θ x ew.L
(2.28)
e. Plotear en papel Gumbel de mínimas los valores de Y vs W.
3. DISENO HIDRAULICO
Es conveniente, antes de comenzar a detallar los criterios más difundidos sobre diseño
de bocatomas, precisar sobre la necesidad, tipos y partes que componen la bocatoma.
Es común que los terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a
considerable distancia del cauce del río de donde se pretende obtener el agua, o en
algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del
agua en el río. En consecuencia es necesario remontar el río con la finalidad de
encontrar un lugar apropiado topográficamente que permita el riego de dichos terrenos,
situación no siempre fácil de encontrar, ya que podría ser que topográficamente sea
factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no sea lo apropiado; por lo
que a veces es necesario formar la carga hidráulica mediante la construcción de una
presa de derivación que permita elevar el nivel de Ia superficie del agua en el río a fin
de que sea posible captar parte del caudal del río en forma oportuna y eficiente. (ver
figura 6)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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3.1
(solo para uso académico)
Tipos de Bocatomas
En lo referente a los tipos de bocatomas, podemos clasificar en 4, a saber:
a.
Toma directa
Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo
general es un brazo fijo del río que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a
captar. Su mayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azud que por lo
general constituye una de las partes de mayor costo.
Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente en época de crecidas, además
permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.
b.
Toma Mixta o Convencional
Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del río con una
estructura llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fija o móvil
dependiendo del tipo del material usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido,
por lo general concreto, y será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera.
La captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puede
funcionar como orificio o vertedero dependiendo del tirante en el río.
c.
Toma Móvil
Se llama así aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil.
Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de
estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para
poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de
agua adecuado.
A los barrajes con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de
ellos se les conoce como barraje móvil. Su principal ventaja es que permite el paso de
los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero o azud.
d.
Toma Tirolesa o Caucasiana
Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud,
en un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales
gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es
intenso, ye que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.
Conviene comentar que la gran mayoría de ríos del Perú son muy jóvenes y arrastran
gran cantidad de sedimentos en épocas de crecidas, por lo que la construcción de estas
tomas debe ser donde las condiciones lo favorezcan.
Para concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un
caudal determinado previamente, depende de la altura del vertedero, de las condiciones
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(solo para uso académico)
de la cimentación, del flujo en el río, remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los
materiales de construcción y del monto del dinero asignado pare Ia ejecución de la obra.
3.2
Relación entre la Localización de la Estructura de Toma y Ia Presa de
Derivación
Básicamente la ubicación de la estructura de toma (Intake) está orientado en función del
sedimento de arrastre que trae el río, ya que éste puede ingresar al canal o depositarse
delante de la toma. Por esta razón es que Ia captación debe ubicarse en un lugar donde
los sedimentos puedan ser arrastrados por el flujo del río y si hay posibilidad de ingreso
de sedimentos hacia el canal ésta debe ser lo mínimo posible.
De este modo, en un tramo recto del río, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba
del eje de la presa de derivación, formando un ángulo entre 60o y 90o. Asimismo se
recomienda, de ser posible, que el eje de la toma forme un ángulo de 20o a 30o con
respecto al río.
Si se tiene que colocar la toma en tramos curvos, como ya se ha explicado
anteriormente, debe estar en la zona cóncava, ya que es la parte donde los sedimentos
son en menor cantidad.
3.3
Condición del Lecho de la Presa de Derivación
Es muy importante investigar el sub-suelo donde se apoyará la presa, ya que el
conocimiento de éste permitirá fijar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas
en el diseño.
La investigación del sub-suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades de
determinación de la capacidad admisible de carga y de evaluación de la erodibilidad del
lecho.
Complementariamente, es importante mencionar otros aspectos geológicos- geotécnicos
a tener en cuenta al proyectar obras hidráulicas: su ubicación en zonas con riesgos de
falla por fenómenos de geodinámica externa y los criterios de exploración y explotación
de canteras que proveerán los materiales (agregados, rellenos, afirmados, etc.),
necesarios para la ejecución de las obras.
La investigación del sub-suelo hecha por métodos directos o indirectos.
Los siguientes son los métodos directos usados con fines de exploración del sub-suelo:
3.3.1 Perforación
Permite identificar et tipo de materiales que conforman el lecho, determinar Ia
estructura del subsuelo y obtener muestras para ensayos de mecánica de suelos.
El tipo, longitud y número de perforaciones variará de acuerdo al criterio del
especialista, pero por lo menos deben ejecutarse perforaciones en el eje del barraje
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vertedero, aguas abajo y aguas arriba del eje de las compuertas de limpia, en el colchón
disipador y en los tramos laterales.
El objetivo de Ia perforación es la toma de muestras alteradas o inalteradas dependiendo
de los materiales y la ejecución de ensayos in situ.
3.3.2 Calicatas
Permiten una visualización directa de los estratos y del lecho del río, asimismo se
pueden obtener muestras para ensayos y determinación de la Capacidad Portante del
terreno. Se le considera el método más apropiado, pese a las limitaciones obvias que
presentan la necesidad de entibado y bombeo, así como la bolonería de gran tamaño,
normalmente presente en los lechos de los ríos.
3.3.3 Sondeos
a.
Ensayo de Penetración Standard (SPT)
Debido a su simplicidad su uso está muy difundido. Normalmente se le usa con una
perforadora rotatoria para atravesar los estratos gravosos en los que el SPT es
inoperante. Consiste de un tubo de 51 mm de diámetro externo, el cual está unido a una
sarta de varillas. El tubo tiene dos secciones (tipo caña partida) y es usado para tomar
muestras, ya que es golpeado contra el suelo para obligarlo a penetrar en él mediante
una pesa de 63.5 kg. la cual cae desde una altura de 75 cm. a lo largo de un eje guía. Por
el número de golpes requerido para hacer penetrar el tubo a una profundidad de 30 cm.
se puede estimar la densidad del terreno Terzaghi-Peck recomiendan lo siguiente:
Material
Número de
golpes / pie
0–4
4 - 10
10 – 30
30 – 50
+ de 50
ARENA
Material
Número de
golpes / pie
0–2
2-4
4–6
6 – 15
15 – 30
> 50
Densidad del espécimen
Extremadamente suelto
Suelto
Medio
Denso
Extremadamente denso
Consistencia
Extremadamente suelto
Suave
Normal
Duro
Extremadamente duro
Pam
El SPT es muy seguro cuando se trata de suelos arenosos, pero para arcillas se debe
usar el criterio de la resistencia a la comprensión de una muestra no confinada; por lo
que se recomienda seguir el siguiente criterio de Bureau of Reclamation:
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CLASIFICACIÓN
Excelente
Bueno
Aceptable
Pobre
(solo para uso académico)
N (golpes / pie)
25 o más
15 - 25
10 – 15
< 10
En caso de suelo arenoso muy fino sumergido, la presencia de agua es considerada y N
debe ser corregido por la siguiente relación:
N = (N + 15) * 0.5
El valor de N permitirá precisar valores útiles para el diseño de la cimentación, como
por ejemplo el ángulo de fricción, por lo que se recomienda medir el N al mismo
tiempo de la perforación.
A continuación se dan algunos parámetros obtenidos a partir de N, según las
especificaciones japonesas para puentes y carreteras:
Cohesión para
Suelos Arcillosos
C (Kg/cms2)
0.6 – 1.0N
b.
Angulo de Fricción
Interna para suelos
Arenosos
φ°
(15N)0.5 + 15°
Modulo de
Elasticidad
Velocidad de la
Onda “S”
E (Kg/cms2)
25 N
Vs (m/seg)
Suelo arcilloso:
100N1/3 1≤ N ≤ 25
Suelo arenoso:
80N1/3 1 ≤ N ≤ 50
Ensayo con el Penetrómetro Dinámico Ligero (PDL)
Se utiliza en suelos arenosos, limosos a arcillosos. Como en el caso del SPT, no es
aplicable a suelos gravosos ni rocas. Consiste en introducir una punta cónica a 60o de
diámetros diferentes dentro del terreno mediante la caída de una masa de 10 Kgs.
corriendo por una guía hasta un cabezal desde una altura de 50 cms. El impacto es
transmitido al cono mediante una sarta de varillas.
Puede ser operada por dos hombres y un tercero que anote el número de golpes para
introducir el cono 10 cms. dentro del terreno. Esta prueba correlaciona bastante bien con
el SPT hasta una profundidad máxima de 5 mts., para suelos arenosos finos. En otros
tipos de suelo hay necesidad de emplear cortes de calibración para corregir los valores
de “n” medidos respecto de N del SPT.
Esta prueba está avalada por Ia Norma Alemana DIN 4094 por lo que también se le
denomina Penetrómetro Alemán.
c.
Ensayos de Carga
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No están considerados dentro de las pruebas rutinarias y sólo se efectúan cuando es
necesario verificar un valor asumido o establecer una diferencia.
Consisten en aplicar una carga al terreno mediante un plato de acero de 30, 60 o75 cms.
de diámetro, la que se incrementa gradualmente. La velocidad de la variación de Ia
carga, el tiempo y el asentamiento del suelo se van registrando para analizarlos
mediante fórmulas empíricas.
Los métodos indirectos o de prospección geofísica, pueden ser sísmicos o eléctricos. En
los primeros se hace explotar una carga que depende de la profundidad a la que se
quiere investigar, uniéndose la velocidad de las ondas mediante geófonos conectados a
un sismógrafo, el cual puede registrar y memorizar la señal para luego ser analizada. El
segundo método de prospección geofísica generalmente se utiliza para determinarla la
profundidad del nivel freático.
En algunos casos es conveniente combinar los métodos directos e indirectos de
investigación del sub-suelo con el objeto de obtener información confiable En Ia tabla
adjunta se consignan algunos valores de la Presión Admisible para suelos y rocas según
diferentes códigos y autores, los cuales deberán usarse con criterio geotécnico, o mejor
aún, con la asistencia técnica de un especialista.
3.3.4 Ensayos de Bombeo
El método de construir una cimentación es a menudo decidido por la posibilidad de
drenaje, ya que este a veces determina si se usará una estructura superficial o profunda
vaciada directamente o pre-fabricada, o si se usará un caisson o pilotes para alcanzar el
estrato resistente.
Por eso, el ensayo de bombeo, se utiliza ye sea para medir la permeabilidad de campo
en una perforación, o la variación de la napa freática.
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Es importante mencionar en este punto, que también se puede usar el sistema Well Point
como control de la napa freática, pare lo cual será necesario determinar la capacidad de
la bomba, separación de tuberías y el diámetro apropiado de ellas.
3.3.5 Ensayos sobre Pilotes
En caso de construcción de una cimentación mediante el uso de pilotes, la capacidad
portante del suelo deberá ser estimada a partir del SPT y verificada mediante ensayos de
carga o de hincado de pilotes para determinar la profundidad de cimentación y magnitud
del rechazo del terreno.
3.3.6 Movimiento del Lecho del río durante la época de Avenidas
El cauce del río es del tipo móvil en especial en época de avenida, lo que podría causar
problemas en la construcción de las estructuras de cimentación.
3.4
Determinación del Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero
Existen básicamente dos tipos de cimentación de barraje vertedero; los del tipo flotante
o sean aquellas que están apoyadas directamente sobre el material conformarte del lecho
del río (arena y grava); o aquellas que se apoyan sobre material rocoso, a los cuales se
les conoce como el tipo fijo. (Ver figuras 7-a y 7-b).
La selección de cualquiera de ellas estará regida por: condiciones de seguridad contra Ia
erosión, control del flujo subterráneo y razones de costos durante el proceso
constructivo, siendo este último el más decisivo para Ia selección del tipo de estructura.
3.5
Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el Móvil
Si un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema
durante Ia época de avenida, Ia longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho
del canal de limpia gruesa.
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En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenida, aumentando
el nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario
aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar
problemas de inundación. (Ver figura 9)
El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud móvil
(Lm) es que sus longitudes deben permitir pasar caudales Qm (Caudal por Zona Móvil)
y Qf (Caudal por Zona Fija) que, sumados den el caudal de diseño es decir:
Qm + Qf = Qd
(3.3)
Concluyendo; el costo es el que prima en la relación entre un barraje fijo y móvil, ya
que habría que comparar el gasto que ocasiona el efecto del remanso hacia aguas arriba
de la presa versus Ia construcción de un vertedero muy corto; en caso contrario, será
necesario aumentarla longitud del barraje, lo cual causaría una altura menor en Ia sobre
elevación de nivel de agua que ocasiona el remanso.
3.6
Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero
Tal como se explico anteriormente, el hecho de construir et barraje en el cauce del río,
causa la formación de una sobre elevación del nivel de agua delante del vertedero que
genera problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, obras de arte hidráulicas
(alcantarillas, sistema de drenaje, etc.), por lo que es necesario determinar la curva de
remanso formada para analizar y solucionar los problemas causados.
En este curso recomendamos el uso de los siguientes métodos:
-
Método del Paso Directo (Direct Step Method)
Método aproximado.
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3.6.1 Método del Paso Directo
A continuación se presentan los criterios para el cálculo del remanso usando el Método
del Paso Directo.
De acuerdo a la figura 10, se tiene:
E = Z + d + v2 / 2g
:
energía total
(3.4)
e = d + V2 /
:
energía especifica
(3.5)
j = - (El - E2) / ∆L
:
gradiente hidráulico
(3.6)
lo = - (Z1 – Z2 ) / ∆L :
pendiente del fondo
(3.7)
Pero: El - E2 = ∆E, Z1 - Z2 = ∆Z, e1-e2 = ∆e
(3.8)
Entonces reemplazando (3.4) y (3.8) en (3.6) resulta:
J = (dl + V12 / 2g - d2 - V22 / 2g) - ∆Z / ∆L
(3.9)
Reemplazando (3.5) en (3.9), resulta:
J = - ( ∆e / ∆L) - ( ∆Z / ∆L)
(3.10)
Reemplazando (3.7) en (3.10) se tiene:
J = - ( ∆e / ∆L) + Io
(3.11)
De donde:
∆L = ∆e / (Io-J) = (el-e2) / (Io-J)
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(3.12)
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En el cual:
J = (J1 + J2) /2
(3.13)
J1 = ( (n x Q) / (Al x RI 2/3)) 2
(3.14)
J2 = ( (n x Q) / (A2 x R2 2/3) )2
(3.15)
3.6.2 Método Aproximado
El Método aproximado da con bastante precisión la longitud total (1) del remanso y
permite tener una idea del efecto del remanso hacia aguas arriba.
La longitud L se calcula mediante Ia siguiente formula:
L = 2 x h / Io
Donde:
h
:
Io
:
3.7
(3.16)
sobre elevación del tirante normal (dn) (ver figura 11)
pendiente del fondo del río
Barraje Vertedero o Azud.
3.7.1 Altura del Barraje Vertedero
La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en el
río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal de
derivación. También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta.
Es lógico que el nivel de la cresta dará Ia carga suficiente para derivar el caudal
diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma.
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(solo para uso académico)
De acuerdo a la figura 12 se puede definir que la cota Cc de la cresta del barraje
vertedero será:
Cc = Co + ho + h + 0.20 (en metros)
(3.17)
Donde
Co : cota del lecho detrás del barraje vertedero (del plano topográfico)
ho
: altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se
recomienda ho ≥ 0.60 m).
h
: altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de
derivación Qd (asumir que funciona como vertedero.) .20m. sumando de
seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y de coeficientes de la
fórmula, pudiendo ser mayor de ser posible.
3.7.2 Forma de la Cresta del Barraje Vertedero
Es recomendable dar formas a la cresta de modo tal que eviten la presencia de presiones
negativas que podrían generar capitación que causen daños al concreto.
Es conveniente aplicar la fórmula del W.E.S. (U.S. Army Engineers, Waterways
Experiment Station) para el dimensionamiento preliminar pero, es recomendable dar un
poco de robustez debido a que por lo general las fórmulas dan secciones muy esbeltas y
fáciles de ser dañadas por las erosión del rió (ver fig. 13)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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(solo para uso académico)
Tal como se describirá mas adelante, la sección de barraje vertedero deberá ir tomando
forma para resistir a las solicitaciones de las fuerzas debido a la presión del agua,
efectos sísmicos, empuje de tierras y subpresión.
3.8
Solado o Colchón Disipador
3.8.1
Longitud del Solado o Colchón Disipador
Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento
de energía potencial que, al momento de verter el agua por encima del barraje se
transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen
estructuras de disipación, conocidas como: solados (apron), colchón disipador (stilling
basin), etc., que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra
disipar la energía cinética ganada por el barraje vertedero.
A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud
del colchón disipador y de los tirantes conjugados (d1 y d2) necesarios para la
formación apropiada del salto hidráulico.
a.
Cálculo de d1 (tirante al pie del barraje vertedero):
De acuerdo a Ia figura 14:
Eo = Co + P + H + VH2/ 2g
(3.18)
E1 = C1 + dl +V12 / 2g
(3.19)
Par Bernoulli : Eo = El + hf 0-1
(3.20)
Reemplazando (3.18) y (3.19) en (3.20)
Co + P + H + VH2 / 2g = C1 + d1 + V12 / 2g + hf 0-1
V12 / 2g = Co – C1 + P + H + d1 + VH2 / 2g – hf 0-1
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(solo para uso académico)
V1 = (2g x (Co-C1 + P + H –d1 + VH2 / 2g – hf 0-1))1/2
(3.21)
Donde:
Co
C1
P
H
d1
hf 0-1
VH
V1
: cota del terreno en 0
: cota del colchón disipador
: altura del barraje
: altura de lámina vertiente
: tirante del río al pie del talud
: pérdida por fricción entre 0 y 1
: velocidad en Ia cresta del barraje vertedero
: velocidad al pie del talud
Para resolver (3.21) es necesario asumir ciertos valores tales como:
r = (Co – C1), (entre 0.5 y 1.0 m.)
(3.22)
hfo-1 = (0.1 x VH2 / 2g), (en mts.)
(3.23)
d1 ≥ 0.1 m.
3.24)
Reemplazando (3.22) y (3.23) en (3.21)
V1 = (2g x ( r + p + H – d1 + 0.9 x VH2 / 2g))1/2
(325)
Este valor calculado por la ecuación (3.25) necesita una comprobación, ya
que:
V1 = Q1 / A1 = Q1 / (b1.d1) = q1 /d1
(3.26)
Donde:
q1 = Q1 / b1
(3.27)
De (3.26) se tiene:
d1 = q1 / V1
(3.28)
Si d1 obtenido en (3.28) es muy cercano al d l supuesto (en 3.24) se prosigue al
siguiente paso, o sea cálculo de d2, en caso contrario se volverá a tantear con otro d1.
b.
Calculo del tirante conjugado d2
De la conservación de la fuerza especifica o momento entre la sección 1 y 2,
se tiene:
d2 = -d1 / 2 + (d12 / 4 + 2x (V12 / g) x d1)1/2
(3.29)
Comprobando:
d2 = dn + r
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(3.30)
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Donde:
dn : tirante normal en el río
r : profundidad del colchón disipador
La condición (3.30) pocas veces se presenta, por lo que para buscar un salto sumergido
en el colchón disipador, se acepta que:
dn + r = 1.15 x d2
c.
(3.31)
Cálculo de la longitud del colchón disipador
Conocidos los tirantes conjugados (d1 y d2) es posible calcular la longitud necesaria
para que se produzca el salto hidráulico. Existen varias fórmulas empíricas y
experimentales que se dan a continuación, y que por lo general dan valores un poco
conservadores pero que orientan para la toma de decisiones en el diseño final.
L = (5 a 6) x (d2-dl )
(Schoklitsch)
(3.32)
(Safranez)
(3.33)
L = 6 d1. F1,
siendo Fl = V1 / (g x d )1/2
L = 4 d2
(U.S. Bureau of Reclamation)
(3.34)
Y el método gráfico de U.S. Bureau of Reclamation.
(ver gráfico de la figura 15).
De estos valores se elige el mayor, pero sin olvidar el factor económico que podría
afectar el resultado elegido.
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(solo para uso académico)
3.8.2 Espesor del Solado o Colchón Disipador
Para resistir el efecto de la subpresión es recomendable que el colchón disipador tenga
un espesor que soporte el empuje que ocasiona la subpresi6n.
(Ver figura 16)
La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del
solado debe ser mayor que la subpresión, es decir:
W ≥ Sp
γs . A . e > γ . h . A
De donde:
e = γ. h / γs
e = (γ . h) / (γs - γ)
La ecuación (3.37) es la corrección por saturación del suelo.
De donde:
e = h / ((γs / γ) -1 ) = h / (SGs-1)
Donde:
SGs
(3.35)
(3.36)
(3.37)
(3.38)
: gravedad especifica del suelo
h = ∆h – hf
(3.39)
hf = ∆h. (Sp / Sr)
(3.40)
Sp
Sr
: camino de percolación parcial
: camino de percolación total
Recomendaciones:
El espesor dado por (3.38) debe ser corregido por seguridad, se tiene así:
e = (4/3). (h/(SGs- 1)) se recomienda
e ≥ 0.90 m
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(3.41)
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3.9
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Enrocado de Protección o Escollera
Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado (rip - rap)
con el fin de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por
acción de la filtración. (Ver figura 17).
La longitud de escollera recomendada por Bligh es:
Ls = Lt – Lo
(3.42)
Donde:
Lt = 0.67 C (Db .q)1/2 : longitud total de escollera
(3.43)
Lo = 0.60 C D11/2
(3.44)
: longitud del colchón
Db
: altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo el colchón disipador y
la cota de la cresta del barraje vertedero, en m.
(ver figura 17).
D1
: altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del
colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m.
(Ver figura l7).
q
: avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero.
C
: coeficiente de Bligh. (Ver tabla 10).
Reemplazando (3.43) y (3.44) en (3.42), resulta:
Ls = 0.6 C D11/2 (1.12 (q.Db / D1)1/2-1)
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(3.45)
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Lecho del
Cauce (Lane)
Arena
Fina y Limo
Arena Fina
Arena Gruesa
Gravas Arena
Bolonería.
Gravas y Arena
Arcilla
3.10
Tamaño de
Grano (mm.)
0.005 a 0.01
0.1 a 0.25
0.5 a 1
(solo para uso académico)
C
(Bligh)
C
(Lane)
18
15
12
8.5
7.0
6.0
9
4.0
4-6
6-7
3.0
1.6 a 3
Control de Filtración
El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino
creando el fenómeno de tubificación: este problema se agrava cuando el terreno es
permeable.
El ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en Ia India,
recomendando que el camino que recorre el agua por debajo del barraje vertedero
(camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre los
extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es
decir:
S ≥ C. ∆h
(3.46)
Donde:
S
C
∆h
: camino de percolación
: coeficiente de Bligh
: diferencia de nivel entre el nivel aguas arriba y aguas abajo del barraje
vertedero (Ver figura 18).
Este criterio fue corregido por Lane después de observar casi 200 estructuras entre las
que funcionaban bien y las que fallaron. Lane planteo la siguiente expresión:
S = 1/3 ∑LH + ∑ Lv > CL. ∆h
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(3.47)
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Donde:
LH, LV : suma de longitudes horizontales y verticales respectivamente, que tenga
la sección de la presa.
CL
coeficiente
de Lane. (Ver tabla 10).
:
Es por este criterio que se busca alargar el camino de percolación de un dentellón aguas
arriba y aguas abajo, manteniendo siempre una separación entre ellos, que debe ser
mayor que el doble de la profundidad del dentellón más profundo.
Asimismo; se acostumbra a poner zampeado aguas arriba del vertedero, sobre todo
cuando el suelo es permeable, con el fin de alargar el camino de percolación así como
dar mayor resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de erosión, en especial en
épocas de avenidas. La longitud recomendada por la experiencia es tres veces la carga
sobre la cresta.
La figura 19 muestra el perfil del barraje vertedero con los elementos dimensionados.
3.11
Canal de Limpia
3.11.1 Velocidad Requerida para el Canal de Limpia
El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que
trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre
que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es
perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un
ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo
hidráulico que determine otras condiciones.
En los referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el
canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La
magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula:
Vo = 1.5 c. d1/2 = 1.5V
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(3.48)
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Donde:
Vo
: es la velocidad requerida para iniciar el arrastre.
C
: coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava
redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y
grava.
d
: diámetro del grano mayor.
V
: velocidad de arrastre.
La figura 20 presenta una gráfica de la ecuación
(3.48)
3.11.2 Ancho del Canal de Limpia
El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:
B = Qc / q
q = Vc3 / g
(3.49)
(3.50)
Donde:
B
: ancho del canal de limpia, en metros
Qc
: caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en
m3/s.
q
: caudal por unidad de ancho, en m3/s/m.
Vc
: velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s.
g
: aceleración de la gravedad, en m/s2.
Este ancho sirve de referencia para el cálculo inicial pero siempre es recomendable que
se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre,
sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.).
Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho
mínimo sea de 5 metros o múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación
recomendable para normar el ancho del canal de limpia.
(Ver figura 21).
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A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o
características del canal de limpia:
a.
Caudal en la zona de limpia
Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces
el caudal a derivar o igual al caudal medio del rió.
b.
Velocidad en la zona de Limpia
Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s
c.
Ancho de la zona de Limpia
Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje.
3.11.3 Pendiente del Canal de Limpia
Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de
limpia. La fórmula recomendada para calcular Ia pendiente critica es:
Ic = n2 .g10/9 / q2/9
Donde:
Ic
g
n
q
(3.51)
: pendiente critica.
: aceleración de la gravedad, en m/s2.
: coeficiente de rugosidad de Manning.
: descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m2/s.
Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de Ia ventana de
captación debe estar por debajo del umbral de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el
extremo aguas abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador.
3.12
Toma o Captación
3.12.1 Criterios Generales
Ya se ha definido la función del barraje vertedero y del canal de limpia; a continuación
se tratará de la estructura de captación o toma, la cual está ubicada por lo general aguas
arriba del barraje vertedero, siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de
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sedimentos sea en mínimo (ya se ha mencionado, que el ideal es el lado exterior de la
parte cóncava de una curva).
En lo que respecta a su cimentación es recomendable que el lugar elegido reúna
condiciones favorables de geología (es preferible buscar roca para asentar la estructura),
de topografía (que disponga de una cota suficientemente a fin de disminuir las obras
complicadas), y de facilidad constructiva (objetivo básico para reducir los costos de
construcción).
3.12.2 Estructuras Componentes de Ia Toma
Tal como se muestra en la figura 22, describiremos las partes de una toma de acuerdo al
sentido del flujo del agua derivado:
3.1 2.2.1 Rejillas (Trash Racks)
Su objetivo básico es impedir que los materiales de arrastre y suspensión ingresen al
canal de derivación, los cuales causan obstrucción y desborden aguas abajo de la
captación.
Las rejillas platinas unidas mediante soldadura formando paneles. La separación entre
rejillas se recomienda tomarla de eje a eje; y dependiendo del tipo de material que se
quiere impedir su ingreso la separación variará entre 0.025m y 0.10m (material fino) y
de 0.10m a 0.20m (material grueso), recomendándose que las rejillas de menor
separación en la parte superior.
La colocación de la rejilla puede ser vertical o con una pequeña inclinación de 1:1/4
para facilitar su limpieza. Esta limpieza se recomienda que se haga mediante acción
mecánica ya que cuando es manual en épocas de avenidas es casi imposible ejecutar con
la frecuencia debida.
La principal objeción de colocar rejillas es que causa pérdidas, las cuales deben ser
consideradas durante el dimensionamiento de la altura del vertedero y en el cálculo del
tirante en el canal de derivación.
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La pérdida de carga que ocasiona una rejilla se puede calcular por Ia fórmula:
H = 1.32 (T.V/D)2. (sen A) . (sec15/8 B)
(3.52)
Donde:
H
T:
V:
A
B
D
: pérdida de carga, en pulgadas
: espesor de la platina (rejilla), en pulgadas
: velocidad de ingreso a través de la rejilla, en pies/s
(Se recomienda V = 1 m/s).
: ángulo de rejilla con la horizontal (ver fig. 23)
: ángulo de aproximación (Ver figura 23)
: separación entre ejes de cada platina, en pulgadas.
3.12.2.2 Ventana de Captación
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captación
debido a que se encuentra a una altura de 0.60 m. del piso del canal de limpia como
mínimo (Ver figura 24). Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar
y de las condiciones económicas más aconsejables.
Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las siguientes
recomendaciones:
Ho
h
: altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m. como
mínimo.
Otros recomiendan ho > H/3, aunque es obvio que cuanto mayor sea ho menor
será el ingreso de caudal sólido.
: altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la
formula de vertedero:
Q = c. L . h 3/2
(3.53)
Donde:
Q
C
L
: caudal a derivar más caudal necesario para operación del sistema de purga.
: coeficiente de vertedero, en este caso 1.84
: longitud de ventana que por lo general se asume entre 3 a 4 m.
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En conclusión; los parámetros de la ventana de captación están íntimamente
relacionados, pero siempre es necesario tener en cuenta el factor económico en el
diseño.
3.1 2.2.3 Cámara de Decantación o Desripiador
Después que el agua rebosa el vertedero de la ventana de captación, es necesario atrapar
o decantar el material que ha podido pasar a través de la rejilla; a esta estructura que
realiza la decantación y aquietamiento del agua antes que éste ingrese a la zona de
compuertas de regulación, se le conoce como cámara de carga, cámara de decantación a
desripiador. (Ver figura 25)
En lo referente a su diseño, algunos autores lo dimensionan asumiendo que el espacio
entre las ventanas de captación y las compuertas debe ser igual a la longitud del resalto,
considerando que se produce un resalto sumergido, criterio que asume que siempre se
va atener una sección trapezoidal o similar.
En nuestra opinión, es preferible diseñar en función de generar una velocidad que
permita un arrastre del material que pudiera ser decantado, para lo cual es necesario dar
una fuerte pendiente paralela al flujo en el río; pero esto está limitada por la cota de
salida que le permite al río, sobre todo en épocas de avenidas. Se recomienda una
pendiente mayor de 2%.
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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Asimismo es conveniente que la compuerta de limpia tenga una abertura capaz de
descargar el caudal de derivación en el mejor de los casos, pero es practica común darle
un ancho de 1.50 m. a la compuerta.
3.12.2.4 Compuerta de Regulación
Son aquellas compuertas que regulan el ingreso del caudal de derivación hacia el canal
principal (ver figura 26). Por lo general se recomienda que el área total de las
compuertas sea igual al área del canal conducto aguas abajo.
Asimismo se recomienda que Ia velocidad de diseño sea de 2.0 a 2.5 m/s.
El caudal que pasa por cada compuerta se calcula mediante la siguiente fórmula:
Q = C. A. (2gh)1/2 = C. A. V
(3.54)
Donde:
Q
: caudal que debe pasar por la compuerta (m3/s)
C
: coeficiente de descarga, su valor está entre 0.6 a 0.8
A
: área de abertura de la compuerta (m2)
g
: aceleración de la gravedad (m/s2)
h
: diferencia de niveles entre aguas arriba y a. abajo de la compuerta (m).
En (3.54), conociendo V (del valor de diseño recomendado), se determina h (por lo
general se estima entre 0.15 a 0.30 m) y luego se halla el valor de A..
Cuando se tiene una luz grande es conveniente dividir la luz en varios tramos iguales
para disponer de compuertas más fáciles de operar.
3.1 2.2.5 Transición
De acuerdo al criterio del diseñador, algunas veces se suele unir las zonas de las
compuertas con el canal mediante una transición. que a la vez permite reducir las
pérdidas de carga. Para determinar la longitud requerida se aplica el siguiente criterio:
L = (b1-b2) / (2tg12°30’)
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
(3.55)
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Donde:
b1
: ancho de la zona de compuertas
b2
: ancho del canal de derivación
3.12.2.6 Estructuras de Disipación
Coma producto de la carga de posición ganada por colocación de la cresta del vertedero
de derivación a una altura sobre el lecho del río, se genera una diferencia entre el canal
antiguo y la zona del bocal, que es necesario controlar mediante la construcción de una
estructura de disipación (ver figura 26).
Esta estructura por lo general tiene un colchón o poza disipadora, que permite disipar
dentro de la longitud de la poza de energía cinética adquirida del flujo y así salir hacia el
canal de derivación un flujo más tranquilo.
3.12.2.7 Aliviaderos
En algunos casos por mala operación de las compuertas de regulación ingresa mayor
cantidad de caudal al canal de derivación; para controlar esta situación no deseada es
necesario colocar un aliviadero. Por lo general los aliviaderos se colocan cerca de las
compuertas de regulación.( ver figura 27)
3.13
Muros de Encauzamiento
Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados limites con el
fin de formar las condiciones de diseño pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.;
ver figura 28).
Ing. Alfredo Mansen Valderrama
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Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado. Su
dimensionamiento esta basado en controlar el posible desborde del máxima nivel del
agua y evitar también que la socavación afecte las estructuras de captación y derivación.
En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se
recomienda que su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del nivel máximo
de agua.
Con respecto a su cota de cimentación, se recomienda que ésta debe estar por debajo o
igual a la posible profundidad de socavación (ver diques de encauzamiento).
Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar los
esfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es práctica común diseñar al volteo,
deslizamiento y asentamiento.
3.14
Diques de Encauzamiento
En la mayoría de los casos, al colocar un obstáculo (barraje) en un río, por un remanso
hacia aguas arriba podría causar inundaciones a los terrenos ribereños, situación no
deseada que se podría agravar si el río forma un nuevo cauce coma consecuencia del
remanso y que podría dejar aislada a la bocatoma. Para controlar esta situación se
construyen diques de encauzamiento por lo general del tipo escollera si existen canteras
de rocas en la zona del proyecto.
Su dimensionamiento se realiza en función de la altura que puede alcanzar el tirante del
agua en la zona de remanso: usualmente, la cota del dique se debe colocar con un borde
libre (B.L) de 0.50m por encima del tirante.
La figura 29 presenta la sección típica recomendada.
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3.14.1 Cálculo del Tamaño de Roca
A continuación se presentan dos métodos que permiten dimensionar el tamaño medio
del enrocado.
El primer método emplea la siguiente fórmula:
Db = (b / Ω) . (V2 / 2g) . (1/f)
(3.56)
Donde:
f = (1 - sen2a /sen2φ)1/2
Ω = ( γs-γa) / γa = (SG-1)
(3.57)
(3.58)
Db
V
SG
γs
γa
b
g
a
φ
: diámetro de roca, en mm.
: velocidad del río, en m/s.
: gravedad especifica de la roca, en kg/m3
: peso especifico de la roca, en kg/m3
: peso especifico del agua, en kg/m3
: coeficiente (1.4 para nuestros ríos)
: aceleración de la gravedad, en m/sg2
: ángulo del talud del dique (1:1.5. ~ 33°)
: ángulo de fricción interna
El otro método recomendado es usando los gráficos de las figuras 30 y 31; el primer
gráfico nos da el diámetro de la roca para iniciar el movimiento, asumiendo peso
especifico de la roca igual a 2.64 Tn/m3 y en función de la fórmula:
W=13.75 x 10-3 V6
(3.59)
Donde:
W : peso de la roca, en Kg
V : velocidad media en el cauce, en m/s
El segundo gráfico nos da la relación entre la velocidad media actuante sobre la roca
(Vo) y la velocidad media en el cauce (V) mediante la siguiente fórmula:
Vo / V = 0.71 / (0.68 Log (d/k) + 0.71)
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(3.60)
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Este método se basa en que, por lo general, se conoce el tirante en el cauce
(d), la velocidad en el río (V) y se desea conocer el diámetro nominal de la roca
(k) para resistir una velocidad media sobre ella.
El proceso consiste en asumir un diámetro (k) y aplicando la ecuación (3.60) calcular
(Vo), luego se comprueba el valor del diámetro supuesto con la utilización del gráfico
de la figura 30 que permite ajustar el valor del diámetro supuesto.
Es recomendable que el enrocado descanse sobre un filtro cuya misión es impedir que el
agua al entrar en contacto con el talud se introduzca por los intersticios y que podría
arrastrar el material conformarte del núcleo del enrocado.
Para el filtro en mención, se recomienda que cumpla las siguientes especificaciones:
D15f / D15b = a;
5 < a < 40
(3.61)
Dl5f / D85b = b;
b≤5
(3.62)
D85f / M = c;
c≥2
(3.63)
Donde:
D15f : diámetro de grano del material de filtro del cual el 5% de todos los granos son
más pequeños.
D15b : diámetro de grano en el material de base del cual el 15% de todos los granos
son más pequeños.
D85f : diámetro del grano del material del filtro del cual el 85% de todos los granos
son más pequeños.
D85b : diámetro del grano del material de base del cual el 85% de todos los granos son
más pequeños.
M
: mayor dimensión de abertura entre rocas, a través del cual el filtro va a
defender el arrastre del material conformarte del dique.
La curva del material de filtro debe tener una graduación paralela al material de base
apoyo.
Para calcular la profundidad de socavación se recomienda la siguiente fórmula:
Hs =1.25 h (0.6 - V1/V2)
(3.64)
Donde:
H
: profundidad de socavación, en m
V1
: velocidad de socavación, en m/s
V2
: velocidad superficial, en m/s
H
: tirante en el río, en m
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3.15 Diseño de Compuertas de Limpia Gruesa
Con el desarrollo de la tecnología peruana en la construcción de compuertas, el diseño
de las compuertas ha caído en el campo de la ingeniería mecánica: pero es necesario que
el aspecto hidráulico precise las condiciones que guíen el dimensionamiento de las
compuertas de limpia gruesa, así se recomienda:
a.
Altura
El nivel de la corona de la compuerta debe estar 0.20 m. por encima de la cresta
del vertedero.
b.
Tirante máximo de agua de diseño
Es aquel que se genera cuando Ia compuerta funciona tipo rebose libre
(overfliw).
c.
Tirante de agua de rebose permisible
0.30 a 0.50 m.
d.
Altura de izaje
La compuerta debe estar 1.5 a 2.0m más alto que el máximo nivel de agua con la
avenida de diseño.
e.
Velocidad de izaje
Se recomienda 30 cm/minuto, es conveniente tener en cuenta que los costos
aumentan cuando aumenta la velocidad de izaje.
f.
Tipo de izaje
El uso de cables es recomendable cuando las luces son considerables y el de
vástagos cuando las luces son pequeñas.
g.
Coeficiente de seguridad
El coeficiente de seguridad del acero se puede asumir entre 3 y 4.
h.
Plancha
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EI espesor mínimo debe estar entre 6 y 10 mm. Se debe considerar siempre el
efecto de corrosión.
En 1o referente al dimensionamiento del área del tablero, se recomienda usar la
siguiente fórmula:
A = Q / (c. (2 g H )1/2)
(3.65)
Donde:
Q
: caudal que pasa a través de la compuerta
A
: área del tablero de la compuerta
C
: coeficiente de descarga; se usa 0.60 para compuertas deslizantes y 0.72 para
radiales.
g
: aceleración de la gravedad.
H
: carga efectiva sobre la compuerta.
Con el área (A) obtenida, se puede calcular el tipo de mecanismo necesario para el izaje
de la compuerta mediante la obtención de la fuerza de izaje total (F), que permite el
levantamiento de la compuerta de área (A), de peso (W) y con Ia utilización de un
vástago de peso (w).
La siguiente formula permite calcular la fuerza necesaria que debe tener un mecanismo
de izaje para levantar la compuerta:
F = A .H .f + W + w
(3.66)
Donde:
A
: área de la compuerta
H
: carga efectiva sobre la compuerta
f
: coeficiente de fricción; asumir 0.7 como valor conservador.
W
: peso de la compuerta.
w
: peso del vástago.
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