DISEÑO HIDRAULICO DE LAS OBRAS DE CAPTACION

1. Datos de diseño

Creager o wes

- AREA DE LAS SECCIONES5 m. aguas arriba 23.80 m²

en el eje 24.20 m²5 m. aguas abajo 24.70 m²

- PERIMETROS MOJADOS5 m. aguas arriba 21.30 m

en el eje 20.70 m5 m. aguas abajo 20.90 m

- PENDIENTE PROMEDIO 2 % = 0.02

0.50 m³/s

2. Calculo del caudal de avenida:

de nuestros datos tenemos

18.90 m

23.80 m²21.30 m

seccion a 5m aguas arriba

19.20 m

24.20 m²20.70 m

seccion en el eje de la toma

20.50 m

24.70 m²20.90 m

- TIPO DE BOCATOMA:

- CAUDAL DE DISEÑO SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS DE RIEGO:

A1 =

P1 =

A2 =

P2 =

A3 =

P3 =

seccion a 5m aguas abajo

2.1 calculo del area promedio:

24.2333 m²

2.2 calculo del perimetro promedio:

20.9667 m

2.3 calculo del radio hidraulico:

R = 1.1558 m

2.4 calculo de la velocidad del rio:

según Manning: ……………..(1)

- para calcular el coeficiente de rugosidad "n" del rio se dispone de la relacion de COWAN:

………….(2)

CUADRO: rugosidad para canales naturalesCONDICIONES DEL CANAL VALORES

tierra

n0

0.030roca cortada 0.025

grava fina 0.024grava gruesa 0.023

liso

n1

0.000menor 0.005

moderado 0.010severo 0.020gradual

n20.000

ocasionalmente alternante 0.005frecuentemente alternante 0.010-0.015

despreciable

n3

0.000menor 0.010-0.015

apreciable 0.020-0.030severo 0.040-0.060

VEGETACION

baja

n4

0.005-0.010media 0.010-0.020

Aprom =

Pprom =

MATERIAL CONSIDERADO

GRADO DE IRREGULARIDAD

VARIACIONES DE LA SECCION

TRANSVERSAL

EFECTO RELATIVO DE

OBSTRUCCIONES

3321 AAA

Aprom

3321 PPP

Pprom

PA

R

2

1

3

21SR

nv

543210 )( mnnnnnn

VEGETACIONalta

n40.025-0.050

muy alta 0.050-0.100menor

m51.000

apreciable 1.150severa 1.300

Para nuestro caso:0.023 grava gruesa, para los rios de Puno0.005 grado de irregularidad menor0.005 para seccion ocasionalmente alternante0.010 para efecto obstructor menor0.005 para vegetacion baja (minima)1.000 para cantidad de meandros menor

n= (0.023+0.005+0.005+0.01+0.005)1 = 0.048

Aplicando la ecuacion de Manning:

1.156 0.020 V= 3.245 m/s0.048

2.5 calculo de la avenida maxima:

De la ecuacion de continuidad: Q= A V

Q= 24.233 x 3.245 Q = 78.634 m³/s

2.6 calculo del tirante normal del rio:Para una seccion hidraulicamente optima, se tiene:

Y= 2 x 1.156 Y = 2.3116 m

3. Comportamiento del cauce (determ media de la seccion del cauce)

3.1 Metodo de Lacey:

Donde: B =ancho de la superficie libre del agua (m)Q=caudal dominante o max de diseño(m³/s)

B =4.831 x 78.634^0.5 B = 42.839 mAdemas se tiene:

y

Donde : f = factor de sedimentacionYm= Tirante medio (m)

CANTIDAD DE MEANDROS

n0 =n1 =n2 =n3 =n4 =m5 =

2

1

3

21

v

RYY

R 22

21

831.4 QB

3

1

474.0

f

QYm 2

160.50 mDf

Dm= Diametro medio del material de fondo (m)

donsiderando Dm = 0.25 mm tenemos:

f = 50.6 x 0.25^0.5 f = 25.30

78.6338Ym = 0.6917 m

25.30

i : pendiente del rio

25.30 0.692Rh = 1.0753 m

0.0200

3.2 Metodo de BLENCH:

Donde: Fb= factor de fondoFs= factor de orillaB = ancho de la superficie libre del aguaQ = caudal maximo de avenida (m³/s)

cuadro factores de fondo y orilla

factor de fondo factor de orillaTIPO DE MATERIAL Fb TIPO DE MATERIAL Fs

material grueso (Dm>0.5mm) 1.2 material suelto (arena) 0.1

material fino (Dm<0.5mm) 0.8material medio cohesivo 0.2

material cohesivo arcilla 0.3

Para las condiciones de nuestro cauce Dm=0.25mm < 0.5mmy el material es suelto (arena), entonces:

Fb = 0.8 Fs = 0.1

78.634 0.8B = 45.3971 m

0.1

Y el tirante medio (Y) es:

Reemplazando valores obtenemos.Y = 2.3075 m

a que inicialmente se nos dio como dato. i = 0.02

Y para el radio hidraulico (Rh) tenemos:

El valor de la pendiente i del rio no sera necesario calcularlo debido

3

1

474.0

mY

i

YfR mh

2

12

3

0002032.0

2

1

2

3

0002032.0 hR

2

1

81.1

s

b

F

FQB

2

1

81.1

B

3

1

2

b

s

F

QFY

3.3 Metodo de Simons y Albertson:

Plantean las siguientes formulas

donde: Bm = ancho medio del cauce (m)P = perimetro del cauce (m)Q = caudal o gasto (m³/s)

MATERIAL K1 K2 K3 K4 M1. Fondo y orilllas de arena 6.3 0.41 9.33 0.324 1/3

2. Fondo de arena y orillas cohesivos 4.74 0.47 10.77 0.525 1/3

3. fondo y orillas cohesivas 3.96 0.56 - 0.87 -

3.16 0.27 10.76 0.85 0.286

3.09 0.36 9.68 - 0.286

Para fondo y orillas cohesivas tenemos: K1= 3.96 y K2= 0.56

Entonces reemplazndo valoes:

Bm=0.91 x 3.96 x 78.634^0.512 Bm= 33.6735 m

Para el tirante tenemos:

en nuestro rio Rh = 1.1558 m < 2.60m

y =1.21 x 0.56 x 78.634^0.361 Y = 3.2756 m

3.4 Metodo de altunin:

donde: B = ancho de la superficie libre del agua (m)S = pendienteE = coeficienten = coef de rugosidad segun manningK = coeficiente de forma, por recomendaciones

adoptaremos K= 10m= 0.7

y n que se calculo anteriormente n= 0.048

reemplazando valores E = 1.4473

4. fondo y orillas con material grueso no cohesivo

5. = que 2 pero con mucho transporte 2000 ppm<C<8000 ppm

512.0191.09.0 QKPBm

361.02

361.02

93.061.093.061.060.2

21.121.160.2

QKRYmRsi

QKRYmRsi

b

b

2.0

5.0

S

EQB

m

nKE53

3

3

5

B = 28.0654 m

RESUMEN DEL COMPORTAMIENTO DEL CUACE POR LOS DIFERENTES METODOS:

METODO B (m) y (m)LACEY 42.839 m 0.6917 mBLENCH 45.3971 m 2.3075 mSIMONS Y ALBERTSON 33.6735 m 3.2756 mALTUNIN 28.0654 m -

42.839+45.397+33.674+28.06537.494 m

4Bprom = Bprom =

DISEÑO DE LOS ELEMENTOS HIDRAULICOS DEL BARRAJE

DETERMINACION DEL PERFIL DE BARRAJE:

Se debe seleccionar un perfil que evite las presiones negativas, permita a la maxima eficiencia hidraulica, practicabilidad, estabilidad, economia

El perfil seleccionado es del tipo WES desarrollado por el USACE(United States Army Corps of Engineers):

X e Y coordenadas del perfil de la cresta

Hd = carga neta del diseño, sin incluir la altura de la velocidad de aproximacionK y n: parametros que dependen de la inclinacion de la superficie aguas arriba.

inclinacion cara aguas arriba K nvertical 2.000 1.8503 a 1 1.936 1.8363 a 2 1.939 1.8103 a 3 1.873 1.776

Para nuestro rio consideraremos una pared vertical, entonces:K = 2.000 n = 1.850

Hd = 0.630 m

Reemplazando:1.85 1.85-1 1.85

X = 2 ( 0.63 ) Y X = 1.3504 Y 1

Entonces:X Y

He

Ha

Hd0.282Hd

0.175Hd

R1=0.5Hd

R2=0.2HdX

y

retiro

origen de coordendas

perfil del corro del agua

YHKX nd

n 1

dHR 5.01

0 0.0000R1 =0.5 x 0.63 = 0.315 m 0.1 0.0105

0.2 0.03770.3 0.07980.4 0.1359

R2 =0.2 x 0.63 = 0.126 m 0.5 0.20540.6 0.28780.7 0.38280.8 0.4901

L1 =0.282 x 0.63 = 0.178 m 0.9 0.60941 0.7405

1.1 0.88331.2 1.0376

L2 =0.175 x 0.63 = 0.110 m 1.3 1.20321.4 1.38001.5 1.5678

DETERMINACION DEL RESALTO HIDRAULICO AL PIE DE LA PRESA:

El resalto hidraulico se produce por el paso brusco del regimen supercriticoal regimen subcritico en un tramo corto

a) calculo del gasto unitario;

=78.6338

= 4.096 m³/s x m19.20

He = 0.680 m Hc = 1.630 m P = 0.950 mHa = 0.054 m H0 = 1.350 m h = 0.400 mHd = 0.630 m H1 = 1.980 m H1 = 0.000 m

Ha

h

H2

H3

Ho

Hd

P

He

Hc

H1

h

dHR 5.01

dHR 2.02

dHL 282.01

dHL 175.02

L

Qq

b) El resalto se calcula con la formula para perdidas de energía:

Donde q= caudal o gasto unitarioH1=altura total de caidaH2=tirante antes del resaltoHo=altura del barraje mas la profundidad delpozoHd=altura neta antes de la caidan = coeficiente de rugosidad (concreto liso 0.015)

Reemplazando valores:

4.096² = 2*9.81 (1.98H2²-0.015² x 9.81² x 1.35

- H2³)0.63^(4/3)

0.90902938 = 1.98H2²-H2³Resolviendo:

H2 = 0.300 m

c) Calculo del tirante aguas abajo del resalto:

Se calcula con la formula de tirante conjugada:

Donde: V2=velocidad al pie de la presaH2=tirante aguas arriba del resaltoH3=Tirante aguas debajo del resalto

La velocidad V2 sera:

V2 =78.6338

V2 = 13.651706519.2x0.3

Entonces H3 sera:

H3 = 3.230 m

La presencia de subpresiones al pie de la presa pueden producir fallasen las estructuras,por tanto es conveniente saber si se producen.

d) Verificacion de presencia de subpresiones:

Se dara cuando H3' > H3

3.37286542

H3' > H3Por tanto existe subpresiones, motivando el calculo del contra escarpeo cuenca amortiguadora

e) Calculo de la cuenca amortiguadora:

Existen diversos criterios para determinar la longitud de la cuenca

por linquist:

L= 5 (3.23 - 0.3) = 14.648 m

por el USBR

L= 4 (3.23) = 12.918 m

por SCHOKOLITSCH

C= 5 H= 1.880 mL= 0.612 ( 4.196 m

por BECERRIL

L= 10 x 0.3 3.000 m

por LAFRANETZ

L= 4.5* x 3.23 14.533 m

por PAULOVSKI

L= 2.5(1.4*3.23-0.3)= 10.553 m

DE LOS DATOS OBTENIDOS, ASUMIMOS EL DE MAYOR LONGITUD:

L = 14.648 m

H3'=

F) Calculo de la curvatura al pie del barraje:

Esta dado por:

(en unidades inglesas)Donde:

V2 = 13.652 m/s = 44.791 pies/sHd = 0.630 m = 2.067 pies

Reemplazando valores:

R = 10.867 pies = 3.312 m

También se usa la relacion:R = 0.945 m

R = 1.5 Hd

H2

Ho

R=