diseño hidraulico mila

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS INGENIERIA CIVIL

DISEÑO HIDRAULICO

Tipo de Bocatoma:

El tipo de bocatoma que hemos considerado en muestro proyecto es de Barraje Mixto, el cual consta de:

(a) Una presa derivadora impermeable (concreto ciclópeo)(b) Un frente de regulación y limpia, perpendicular al sentido de la corriente(c) Un frente de captación

Caudales de diseño:

Qrio = 430.00 m³/s CAUDAL DEL RIO Qderivacion = 7.22 m³/s CAUDAL DE DISEÑO DEL CANALDe acuerdo a los datos que nos han dado se obtiene el siguiente:

Qdiseño = 430.00 m³/s

Cálculo del Coeficiente de Rugosidad:

1.- Valor básico de rugosidad por cantos rodados y arena gruesa 0.028

2.- Incremento por el grado de Irregularidad (poco irregular) 0.010

3.- Incremento por el cambio de dimensiones ocasionales -----------

4.- Aumento por Obstrucciones por arrastre de raíces 0.000

5.- Aumento por Vegetación 0.010

n = 0.048

Determinación de la Pendiente en el lugar de estudio:

El cálculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, está pendiente está comprendida entre los tramos de un kilometraje.

-8.00

-1000.00

Ancho de Plantilla (b) = 100.00 m

Pendiente (S) = 0.008

En función a la topografía dada y procurando que la longitud del barraje conserve las mismas condiciones naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su régimen.

DOCENTE: INTEGRANTES:ING. DANTE SALAZAR - SANTAMARIA ELIAS JOSE

-BOCANEGRA VILELA MILAGROS

-1.9


Cotas y Altura del Barraje:

1. Calculo de la cota de Cresta del Aliviadero:

1.1. Cálculo de la Altura del Barraje P:

Datos :

Q = 430.00 m³/s

b = 160.00 m

n = 0.048

S = 0.008

Por tanteo :

INTERACCION PARA ALTURA DE BARRAJE

P = 1.60 m

h sedimento: También llamado Altura del Umbral del vertedero de captación.

ho = 0.60 m

Co= cota del lecho detrás del barraje vertedero

ho= altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se recomienda ho ≥ 0.60 m)



223.76 = 36183


h= altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de derivación Qd (asumir que funciona como vertedero) 0.20 sumando de seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y coeficientes de la formula, pudiendo ser mayor de ser posible.

120.60

0.20 m

P = 1.60 m0.60 m 119.00

0.8

2. Longitud del barraje fijo y del barraje móvil

a. Dimensionamiento:

a.1 Por relación de áreas: El área hidráulica del canal desarenador tiene una relacione de 1/10 del área obstruida por el aliviadero, teniéndose:

A1 = A2 /10 ………… (1)

Donde:

N de pilares = 3.00

A1 = Área del barraje móvil

A2 = Área del barraje fijo

N de compuertas = 3.00




A1 = P x Lbm A2 = P ( 160 - 2Lbm )

Remplazando estos valores, tenemos que:

P x Lbm = Px (160 - 2Lbm)/10

1.6 x Lbm = 1.6 x ( 160 - Lbm )/10

A) LONGITUD DE BARRAJE MOVIL (Lbm): Lbm = 12.10 m

B) LONGITUD DE BARRAJE FIJO (Lbf):

Entonces: Lbf = 160 - Lbm = 147.3 m

C) LONGITUD DE COMPUERTA DEL CANAL DESARENADOR (Lcd)

Lcd = Lbm/3= 4 m

Se usara 3 Compuertas radiales de: 197 plg x 150 plg

Lcd = 5.00 m

a.3 Predimensionamiento del espesor del Pilar (e): e = Lcd /4 = 1.25 m

Consideramos: e = 1.30 m

Dimensión del barraje fijo: Ltbf = 141.10 m

b. Resumen:

ESPESOR DEL PILAR 1.30 m 1.30 m 1.30 m

LONG. COMPUERTAS 5.00 m 5.00 m 5.00 m

LONGUITUD DEL BARRAJE MOVIL 18.90 m

LONGITUD DEL BARRAJE FIJO 141.10 m

3. Cálculo de la Carga Hidráulica:




Donde : H: Carga de Diseño

he:Altura de agua antes del remanso de depresión

hv: Carga de Velocidad

P: Altura de barraje

Q diseño = Qc + Qcl …………….(A)

a. Descarga en el Cimacio en el barraje fijo (Qc)

La fórmula a utilizar para el cálculo de la carga del proyecto es:

Qc = C x L x H3/2 …………….(B)

Qc: Descarga del Cimacio

C: Coeficiente de Descarga

L: Longitud Efectiva de la Cresta

He: Carga sobre la cresta incluyendo hv

La longitud efectiva de la cresta (L) es:

L = Lr - 2 ( N x Kp + Ka) x H …………….(C)

Dónde:

L = Longitud efectiva de la cresta

H = Carga sobre la cresta . Asumida = 1.00

Lr = Longitud bruta de la cresta = 141.10 LONGITUD DE BARRAJE FIJO

N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero = 1.00




Kp = Coef. de contrac. de pilares 0.00 VER TABLA 1

Ka = Coeficiente de contracción de estribos 0.10 VER TABLA 2

"H" se calcula asumiendo un valor , calcular el coeficiente de descarga "C" y calcular el caudal para el barraje fijo y móvil.

El caudal calculado debe ser igual al caudal de diseño.

Reemplazando en la ecuación la Longitud efectiva para H asumido es: L = 80.89m

Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control:

C = Co x K1 x K2 x K3 x K4 …………….(D)

Los valores del 2º miembro nos permiten corregir a "C" sin considerar las pérdidas por rozamiento:

En los gráficos, encontramos las definiciones y la forma de encontrar estos valores.

a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H =1.60 Co = 3.92 VER ABACO N° 01

b)Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H he/H = 1.00 K1 = 1.00 VER ABACO N°02

c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H = 1.60 K2 = 1.00 VER ABACO N°03

d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho = (P + Ho)/Ho= 2.60 K3 = 1.00

VER ABACO N°04

e) Por efecto de sumergencia: Hd / he =2/3 Ho/ Ho = 0.67 K4 = 0.97 VER ABACO N°06

* Remplazamos en la ecuación (D): C = 3.80m

* Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que:

Qc = 307.57 m³/s



b. Descarga en canal de limpia o barraje móvil (Qcl) :

Se considera que cada compuerta funciona como vertedero, cuya altura P = 1.60Para ello seguiremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos


Qcl = C * L'' * hi3/2 L = L1 - 2 ( N * Kp + Ka) x h

15.01 m. COMPUERTAS LONG. TOTAL N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero 0.00

Kp = Coef. de contrac. de pilares (triangular) 0.00 VER TABLA 1


L = 14.49mDonde :

L = Longitud efectiva de la crestah = Carga sobre la cresta incluyendo hv 2.60 m.L1 = Longitud bruta del canal

15.01 m. COMPUERTAS LONG. TOTAL N = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero 0.00

Kp = Coef. de contrac. de pilares (triangular) 0.00 VER TABLA 1


L = 14.49m

Cálculo del coeficiente de descarga variable para la cresta del cimacio sin control:

C= Co x K1 x K2 x K3 x K4 …………….(D)

a) Por efecto de la profundidad de llegada: P/H =0.615 Co =3.10 VER ABACO N° 01

b) Por efecto de las cargas diferentes del proyecto: he = H he/H = 1.00 K1 = 1.00 VER ABACO N°02

c) Por efecto del talud del paramento aguas arriba: P/H =0.615 K2 = 1.00 VER ABACO N°03

d) Por efecto de la interferencia del lavadero de aguas abajo: (Hd + d) / Ho = (P + Ho)/Ho= 1.62 K3 = 0.77 VER ABACO N°04



b. Descarga en canal de limpia o barraje móvil (Qcl) :

Se considera que cada compuerta funciona como vertedero, cuya altura P = 1.60Para ello seguiremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos


e) Por efecto de sumergencia: Hd / he = 2/3 Ho/ Ho = 0.67

K4 = 1.00 VER ABACO N°06

* Remplazamos en la ecuación (D): C = 2.39m

* Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que:

Qcl = 145.00 m³/s

c. Descarga Máxima Total (QT):

Qt = Q c + Q cl

Qt = 452.59 m³/s Qd = 250.00 m³/s

Este valor no cumple con el caudal de diseño, tendremos que asumir otro valor de "H"

Siguiendo este proceso de iteración con el tanteo de "H" resultan los valores que aparecen en el cuadro de la siguiente. En este cuadro itera hasta que

Qt = 250.00 m³/s

CUADRO PARA EL PROCESO ITERATIVO

Ho (m) Co K1 K2 K3 K4 L efect. Qc - Qcl QT1.00 3.92 1.00 1.00 1.00 0.97 80.89 307.57 452.59

3.10 1.00 0.77 0.77 1.00 14.49 145.020.70 3.93 1.00 1.00 1.00 1.00 80.95 186.32 279.61

3.10 1.00 0.77 0.77 1.00 14.55 93.290.50 3.92 1.00 1.00 1.00 1.00 80.99 112.24 215.45

3.92 1.00 0.77 0.77 1.00 14.59 103.200.40 3.91 1.00 1.00 1.00 1.00 81.01 80.13 156.09

3.10 1.00 0.77 0.77 1.00 14.61 75.96

Entonces mediante este gráfico interativo determinamos la carga de diseño



Ho = 0.60 m

Para : aliviadero: Ho = 0.60 mQc = 150 m³/scanal de limpia:Q cl (2 compuertas)= Qdis-QcQcl = 0.00 m³/s


8.4. Cálculo de la Cresta del Cimacio

La sección de la cresta de cimacio, cuya forma se aproxima a la superficie inferior de la lámina vertiente que sale por el vertedor en pared delgada, constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas, dependiendo de la carga y de la inclinación del paramento aguas arriba de la sección.

Considerando a los ejes que pasan por encima de la cresta, la porción que queda aguas arriba del se define como una curva simple y una tangente o una curva circular compuesta; mientras la porción aguas abajo origen está definida por la siguiente relación:

En las que "K" y "n" son constantes que se obtienen de la Figura 1.

Determinación del caudal unitario: (q)

q= Qc / Lc = 1.85 m3/s/m

Velocidad de llegada (V):

V= q /(Ho+P)= 0.84 m/s

Carga de Velocidad:

hv = V2/2g = 0.04 m

Altura de agua antes del remanso de depresión (he):

he = Ho - hv = 0.56 m



Para : aliviadero: Ho = 0.60 mQc = 150 m³/scanal de limpia:Q cl (2 compuertas)= Qdis-QcQcl = 0.00 m³/s

YHo

=Kx ( XHo )n

X (m) Y (m)0.000 0.000.100 -0.010.300 -0.090.500 -0.220.700 -0.410.900 -0.641.100 -0.931.300 -1.261.500 -1.641.700 -2.061.900 -2.532.100 -3.042.300 -3.592.500 -4.18


Determinación de "K" y "n" haciendo uso de la Fig. 1 y la relación hv/Ho:

hv/Ho= 0.060 K= 0.51 VER ABACO Nº08

Talud: Vertical n= 1.832 VER ABACO Nº07

Valores para dibujar el perfil aguas abajo: Perfil Creager

Según la figura 2 de la Separata la Curva del Perfil Creager es hasta una distancia igual a 2.758Ho, después de este límite se mantiene recto hasta la siguiente curva al pie del talud (aguas abajo):

2.758 Ho= 1.6548

La porción del perfil que queda aguas arriba de la cresta se ha considerado como una curva circular compuesta. Los valores de R1, R2, Xc, Yc se dan en la fig. 1.c de la separata:

Con hv/Ho: 0.060 ingresamos a los nomogramas, de donde se obtiene:

Xc/Ho= 0.252 VER ABACO Nº09 Xc= 0.15 m

Yc/Ho=0.600 Yc= 0.36 m

R1/Ho= 0.500 R1= 0.30 m




R2/Ho= 0.280 R2= 0.17 m 0.1320

Ubicación de los elementos para el dibujo de la curvatura aguas arriba:

8.5. Cálculo de los Tirantes Conjugados

Aplicando la Ecuacion de Bernoulli entre los puntos 1 y 2:

Tenemos: z + dc + hvc = d1 + hv1 + Σhp

Σhp: pérdidas de energía (por lo general se desprecian, debido a su magnitud)

Determinación del tirante Crítico: dc = (Q2/gB2)1/3

dc= 0.704 m

Cálculo de la Carga de Velocidad Crítica: vc =√(g*dc)

Vc= 2.628 m/s hvc= 0.352 m

Reemplazando obtenemos el tirante conjugado d1:

z + dc + hvc = d1 + q2/(2*g*d12) q = Q/B => q = 1.85

2.66 0.17 / d1^2

d1^3 - 2.66 0.17 => d1= 0.27 m




Determinación del Tirante Conjugado2: d2 V1= 6.85m/s

=> d2= 1.5 m

Determinación del Número de Froude:

F = 4.21

Este es un resalto inestable. Cuyo oleaje producido se propaga hacia aguas abajo.

Entonces podemos profundizar la poza en una profundidad = 1.80 m

z + dc + hvc + e = d1 + q2/(2*g*d12

d1^3 - 4.46 0.17 => d1= 0.2025 m

V1= 9.13m/s

hv1= 4.25 m

d2= 1.76 m

F= 6.48

8.6. Cálculo del Radio de Curvatura al pie del Talud:

Esta dado por la ecuación: R = 5d1 R= 1.01 m

8.7. Longitud del estanque amortiguador o poza de disipación:

a) Número de Froude:

*Con el valor de F, se puede determinar el tipo de Estanque que tendrá la Bocatoma, el cual según la se para F será:

F= 6.48 V1= 9.13

U.S Bureau of Reclamation : L/d2=6.00 Lp= 10.546 m 3.34

b) Según Schoklitsch: Lp = (5 a 6 )x(d2-d1) Lp= 7.776 m 3.32

c) Según Safranez: Lp = 6xd1xV1 Lp= 7.875 m 3.33




√(g*d1)

d) Finalmente tomamos el valor promedio de todas las alternativas:

Lp = 8.732 m

Longitud promedio de la poza Lp = 8.70 m

8.8. Profundidad de la Cuenca:

S = 1.25 d1= 0.253 m

8.9. Cálculo del Espesor del Enrocado:

H = ( P + Ho ) = 2.30 m. e= 0.568 m

q = 1.85 e= 0.60 m

8.10. Cálculo de la Longitud del Enrocado:

Según W. G. Bligh, la longitud del empedrado está dado por la sgte fórmula:

donde:

H: carga de agua para máximas avenidas 2.30 m.

q: caudal unitario 1.85

c: coeficiente de acuerdo al tipo de suelo 9.00 VER TABLA 03

L e = 3.568 m

L e = 4.00 m Redondeo a la unidad

8.11. Longitud del Solado Delantero: Ls = 5Ho

Ls = 5*0.70

Ls= 3.52 m => 3.50 m Redondeo a la unidad

8.12. Espesor de la Poza Amortiguadora:

La subpresión se hallará mediante la siguiente formula:




dónde:

Peso específico del agua 1000 kg/m3

b = Ancho de la sección 1.00 m.

c = Coeficiente de subpresión, varia ( 0 - 1 ) 0.55 Para concreto sobre roca de mediana calidad h = Carga efectiva que produce la filtración

h' = Profundidad de un punto cualquiera con respecto a A, donde se inicia la filtración.

(h/L)Lx = Carga perdida en un recorrido Lx

Mediante la subpresión en el punto "x", se hallará el espesor de la poza, asumimos espesor de: 1.65 m

Predimensionado de los dentellados posteriores y delanteros:

Para condiciones de caudal máximo

O sea cuando hay agua en el colchón.

h = d1 +hv1 -d2

h= 2.70 m. h/L barr= 0.114 e = (4/3) x (Spx / 2400)




Lbarr= 23.60 m. Lx = 12.85 m.

h' = 3.45 m. Spx = 2573.45 kg e = 1.43 m.

Para esta condición el espesor asumido satisface los esfuerzos de Subpresión

Para condiciones cuandono no hay agua en el colchon

h =3.89 m. Spx = 2872.49 kg

h /L =0.16 e = 1.60 m.

Para esta condición el espesor asumido satisface los esfuerzos de Subpresión.

Se observa que los valores calculados son menores que el asumido entonces se opta por el espesor asumido:

Volumen de filtración

Se calcula empleando la fórmula que expresa la ley de Darcy Q = KIA

donde: Q : gasto de filtración.

K : coeficiente de permeabilidad para la cimentación.

I : pendiente hidráulica

A : área bruta de la cimentación a través del cual se produce la filtración

Cálculo y chequeo del espesor del colchón amortiguador

Cálculo de la longitud necesaria de filtración (Ln)

H = 3.19 (cota del barraje - cota a la salida de la poza)

Cbarraje: 120.60msnm

Csalida: 117.41msnm

C = 9 (criterio de BLIGHT:TABLA 3)

Ln = C*H =28.73 m.

Cálculo de la longitud compensada (Lc)

longitud vertical Lv: Lv = 8.85 m. de gráfico de colchón

longitud horizontal Lh: Lh = 15.70 m. de gráfico de colchón

Lc = Lv + Lh Lc = 24.55 m.




Como Ln > Lc, entonces se está posibilitando la tubificación, por lo tanto no haremos uso de lloradores.

Verificación del espesor del colchón amortiguador

cálculo de la subpresión

L = (Lh/3)+Lv L = 14.08 m.

h = 2.70 m.

h/L = 0.192

Dimensionamiento de los Pilares:

a) Punta o Tajamar: Redondeada

b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho): 2.20 => 2.20 m.

c) Longitud: Hasta la terminación de la poza mínimo = 12.90 13.00 m.

d) Espesor e: 1.30

Dimensionamiento de los Muros de encauzamiento:

a) Longitud: 27.20 => 27.00 m.

b) Altura Ht= 1.25 (P+Ho): 2.20 => 2.20 m.

TABLA Nº 01:

Forma KpPilares de tajamar cuadrado 0.02Pilares de tajamar redondo 0.01

Pilares de tajamar triangular 0

TABLA Nº 02:

Forma KaEstribos cuadrados con los

muros de cabeza a 90° con la direccion de la corriente

0.2




Estribos redondeados con muros de cabeza a 90° con la

direccion de la corriente, cuando 0.5Ho >= r >= 0.15Ho

0.1

Estribos redondeados r> 0.5Ho y el muro de cabeza 90° esta

colocado no mas de 45° con la dirección de la corriente.

0

TABLA Nº03:

TABLA Nº04:



COEFICIENTE DE " C"

LECHO DEL CAUCEBLIG

H LANEArena fina y/o limo 18 8.5Arena fina 15 7Arena tamaño medio - 6Arena gruesa 12 5Grava fina - 4Grava media - 3.5Gravas y arenas 9 3.5Grava gruesa - 3Boloneria con grava - 2.5Boloneria, Gravas y arena 4 6 2.5Arcilla plastica 6 7 3Arcilla de consistencia media 6 7 2Arcilla dura 6 7 1.8Arcilla muy dur 6 7 1.6

CONDICIONES DEL CANAL

Tierra 0.020

Material considerado (no)Roca cortada 0.025

Grava fina 0.024

Grava gruesa 0.028 0.028

Liso 0.000

Grado de irregularidad (n1)Menor 0.005

Moderado 0.010 0.010

Severo 0.020

Gradual 0.000 0.000

Variaciones de la sección Ocasionalmente

transversal del canal (n2) Alternamente 0.005

Frecuentemente 0.010 - 0.015

Despreciable 0.000 0.000

Efectivo relativo de Menor 0.010 - 0.015

obstrucciones (n3) Apreciable 0.020 - 0.030

Severo 0.040 - 0.060

Baja 0.005 - 0.010

Menor 1.000

Cantidad de meandros (n5) Apreciable 1.150

Severa 1.300

n rio = n0+n1+n2+n3+n4+n5 0.038


TABLA Nº 05

ABACO N° 01:

ABACO N° 02:




ABACO N°03:

ABACO N°04




ABACO Nª05:




ABACO Nª06

ABACO Nª07:




ABACO Nº 08:

ABACO Nº 09:




ABACO Nº10:



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