Clase 1 Bocatomas- II Iparte

II PARTE

PERFIL BARRAJE - PRESA DERIVADORA DERIVADORA

PERFIL BARRAJE - PRESA DERIVADORA DERIVADORA

PERFIL BARRAJE - PRESA DERIVADORA

SOCAV SOCA VACION EN PRESA DERIVADORA

SOCAVACION SOCAV ACION EN PRESA DERIVADORA

ESTRUCTURAS DE CAPTACION

 ALIVIADEROS DE

DEMASIAS

MSc. Ing. José Arbulú Ramos

INSTALACION TIPICA DE UN VERTEDOR RECTO DE CAIDA LIBRE

ALIVIADERO DE CANAL LATERAL Y CANAL DE DESCARGA

CONDUCTO

 ALIVIADERO DE CONDUCTO Y DE TUNEL.

SECCIÓN TRANSVERSAL DEL ALIVIADERO  

En la Fig. se ve una sección transversal del aliviadero, la forma del perfil curvilíneo de aguas abajo obedece a la trayectoria de la lámina vertiente sobre ella. A este perfil se llama de “Perfil cimacio”.

q  C * H º

V a  ha 

3/ 2

q  p  hº q 2 g ( p  hº ) 2

2

DESCARGA SOBRE UNA CRESTA DE CIMACIO SIN CONTROLES 

La descarga sobre una cresta de cimacio se obtiene por medio de la fórmula: Q  C * L * He

3/ 2

Donde: Q = descarga C = coeficiente de descarga variable L = longitud efectiva de la cresta He  = carga total sobre la cresta, incluyendo la carga correspondiente a la velocidad de llegada, ha .

En el coeficiente de descarga, influyen numerosos factores como: 



La profundidad de llegada. La relación de la forma real de la cresta a la lámina ideal.



Pendiente del parámetro de aguas arriba.



Interferencia del lavadero de aguas abajo.



El tirante de la corriente de aguas abajo.

EFECTO QUE PRODUCEN LAS PILAS Y LOS ESTRIBOS. 



Cuando las pilas y estribos de la cresta tiene una forma que produce contracciones laterales sobre la descarga, la longitud efectiva, L , será menor que la longitud neta de la cresta. El efecto de las contracciones en los extremos puede tomarse en cuenta reduciendo la longitud neta de la cresta como sigue:

L = L 1 –  2(NKp + Ka)He 

L = L 1  –  2(NKp + Ka)He       



Donde: L = longitud efectiva de la cresta L1 = longitud neta de la cresta N = número de pilas Kp = coeficiente de contracción de las pilas Ka = coeficiente de contracción de los estribos He = carga total sobre la cresta

 H  e

COEFICIENTE DE DESCARGA PARA LAS CRESTAS DE CIMACIO EN PARED VERTICAL

 H  0

 P   H 0

FIG.1 C o, a los diferentes valores de: P/Ho



1

EFECTO DE LAS CARGAS DIFERENTES A LA DEL PROYECTO.

EFECTO DEL TALUD DEL PARAMENTO AGUAS ARRIBA.

EFECTOS DE LOS FACTORES DE AGUAS ABAJO EN LA CAPACIDAD DE LOS ALIVIADEROS

RELACION DE LOS COEFICIENTES DE DESCARGA  DEBIDA AL EFECTO DEL LAVADERO

RELACION DE LOS COEFICIENTES DE DESCARGA  DEBIDA AL EFECTO DEL AGUA DE LA DESCARGA.

DESCARGA POR ALIVIADEROS DE CIMACIO CONTROLADOS POR COMPUERTAS.

Q

2 3

2 g CL( H 13 / 2  H 23 / 2 )

DESCARGA POR ALIVIADEROS DE CIMACIO CONTROLADOS POR COMPUERTAS.

COEFICIENTE DE DESCARGA PARA LA  CIRCULACION DEL AGUA BAJO LAS COMPUERTAS

CÁLCULO DEL TIRANTE d1:

 Z   d 0  hv 0  d 1  hv1  h P 

OBTENCIÓN DEL TIRANTE CONJUGADO d2: Sección rectangular :

d 2  0.5d 1 

Sección trapezoidal:



d 2

d 12



4

2V 12 d 1  g 

 K  

3b  2td 2

Donde:

d1 = Tirante conjugado menor del salto hidráulico ( m) d2 = Tirante conjugado mayor del salto ( m) b = Ancho del canal donde se produce el salto hidráulico t = Talud de las paredes del canal P 1 = Empuje hidrostático debido a la sección 1 en m3 V1 = Velocidad correspondiente al tirante d1 (m/seg ) V2 = Velocidad correspondiente al tirante d2 (m/seg ) Q = Gasto al canal (m3 /seg ) g = Aceleración de la gravedad ( m/seg2 ) dc = Tirante crítico del flujo (m)

 Q  (V 1  V 2 )

 K   6

 

 P 1 

 g 

bd 12 2



td 13 3

   P 1   

CANAL DE LIMPIA 





Es la estructura que se instala en las tomas con objeto de eliminar los sedimentos que se depositan al ingreso del bocal de toma y que permite mejorar la captación en las épocas de estiaje. Su trazo es perpendicular al eje de barraje y su flujo en el mismo sentido del río; puede formar ángulos entre 60º y 90º con el eje de captación. Para separar el canal de limpia del tramo de barraje fijo se construye un muro guía que permite encauzar mejor las aguas hacia el canal de limpia.

VELOCIDAD DE ARRASTRE 

La magnitud de la velocidad para iniciar el arrastre de los sólidos depositados viene dada por la fórmula:

Vc = 1.5 (C) (d)1/2 = 1.5 Vs Donde:       

Vc, Velocidad requerida para iniciar el arrastre C, Coeficiente en función del tipo de material Arena y grava redondeada : 3.2 Grava rectangular : 3.9 Arena y grava : 3.5 a 4.5 d, diámetro del grano mayor Vs, Velocidad de arrastre

ANCHO DEL CANAL DE LIMPIA El ancho del canal de limpia debe tener las siguientes características: 







El caudal debe ser por lo menos del doble de la capacidad de la toma o derivar el caudal medio del río. La velocidad del agua en el canal de limpia debe variar entre 1.50 y 3.00 m/seg o por lo menos ser igual a la velocidad de arrastre. Se recomienda que su ancho sea un décimo de la longitud del barraje.



El ancho del canal de limpia se puede obtener de las relaciones siguientes:

 B

Q 

q

q

V C  

3

 g 

donde: B , ancho del canal de limpia en m. Q , caudal que discurre en el canal de limpia en m3/s q, caudal por unidad de ancho m3/s/m VC , velocidad de arrastre en m/s  g , aceleración de la gravedad m/s2

PENDIENTE DEL CANAL DE LIMPIA 

La pendiente del canal de limpia debe permitir el arrastre de los materiales que arrastra el río, se calcula según la fórmula: 10 / 9

S C       

n . g 

q2/9

Donde: SC , pendiente del canal de limpia n , coeficiente de rugosidad de Manning  g , aceleración de la gravedad m/s2 q, descarga por unidad de ancho m3/s/ml

ESTRUCTURAS DEL CANAL DE LIMPIA 





El canal de limpia o barraje móvil tiene generalmente un muro guía que separa el barraje fijo del móvil. Permite encauzar mejor el flujo hacia el canal de limpia. Puede continuar hacia aguas abajo separando la poza de disipación en dos segmentos. COMPUERTAS DE LIMPIA BOCATOMA TALAMBO-ZAÑA

COMPUERTAS 





Mecanismos que permiten eliminar los materiales sólidos que se depositan frente a la toma. En estiaje las compuertas permanecen cerradas para conseguir un tirante apropiado de las aguas frente a la toma. En avenidas estas compuertas deben suspenderse a un nivel superior a la máxima avenida para evitar que puedan dañarse.

COMPUERTAS DE EMERGENCIA 



Estas compuertas se instalan en la parte posterior de la pantalla frontal . Tienen por objeto un cierre violento de las ventanas u orificios de captación por mantenimiento o emergencia.

CAUDAL EN COMPUERTAS DE REGULACIÓN 







Tiene por objeto regular y controlar el caudal de ingreso. La capacidad máxima de captación del conjunto de compuertas instaladas debe ser similar a la capacidad del canal de derivación. Se recomienda velocidad de ingreso : 2.0 - 2.5 m/s. El caudal que pasa por cada compuerta de tipo rectangular se calcula mediante la fórmula de orificios: Q =C. A . [2 g h] 1/2

donde: C: coeficiente de descarga, tiene un valor que varía de 0.6 a 0.8  A : Area de las compuertas h : carga hidráulica

COMPUERTAS DE LIMPIA

Área de la compuerta de limpia debajo de la cresta del aliviadero es 1/10 del área atajada por el aliviadero.

A cl = 1/10 (A aliv)

donde: A aliv : Área atajada por el aliviadero.

Área (abad + efgh) = 1/10 Área (ijkm).



AREA DE COMPUERTAS DE LIMPIA El área de la sección transversal de la compuerta de limpia debajo de la corona de aliviadero :

Acl = ( 1 ~ 2) Avc donde:  



Acl: Área de compuerta de limpia. Avc: Área de ventana de captación. Área (abcd + efgh) = (1~ 2) veces el área de la sección de toma de captación.

SISTEMA DE IZAJE DE COMPUERTA

COMPUERTAS LEVADIZAS RECTANGULARES:  

Se apoyan horizontalmente en ranuras de las pilas de apoyo. Con frecuencia se hacen de metal (de hierro fundido o acero).

COMPUERTAS RADIALES 



Se construyen de acero o de una combinación de acero y madera. Constan de un segmento cilíndrico que está unido a los cojinetes de los apoyos por medio de brazos radiales.





La superficie cilíndrica se hace concéntrica con los ejes de los apoyos, de manera que todo el empuje producido por el agua pase por ellos. En esta forma sólo se necesita una pequeña cantidad de movimiento para elevar o bajar la compuerta

PILARES









 

Son estructuras por las que se deslizan las compuertas. Sirven de apoyo a la losa de operación. La Punta o Tajamar: triangular o redondeada. Altura del pilar. Ht = 1.25 (P + Ho) P = Altura del aliviadero Ho = Carga de diseño.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL PILAR 





El espesor “e” del pilar para el

predimensionamiento es: e=L/4 donde: L = Luz libre entre pilares. Debe trabajar a compresión El análisis debe hacerse para la máxima carga de aguas en el río y a diferentes alturas del pilar.

FUERZAS ACTUANTES Donde: FH = Empuje del agua W = Peso del pilar más zapata más el peso de la losa de operación en su área de influencia. Sv = Fuerza del sismo vertical. SH = Fuerza del sismo horizontal.

. Ve = Fuerza del sismo sobre el agua. SP = Supresión FV = Peso del agua actuando sobre la cimentación.

f’c = 210 Kg/cm2













Chequear la capacidad portante del terreno. Deslizamiento: Si es sólo una compuerta deberá considerarse la mitad del empuje sobre la compuerta que es transmitida a la ranura del pilar que actúa como apoyo. Además se tiene el empuje del agua en la parte frontal del pilar. El análisis también debe hacerse para diferentes alturas y en la base. Colocar acero de temperatura en ambas caras. Doble refuerzo en las ranuras (concentración de esfuerzos, zonas críticas porque debilitan el pilar).

VISTA PANORAMICA DE PILARES CON SUS RESPECTIVAS COMPUERTAS RECTANGULARES

VENTANAS DE CAPTACION 





Para evitar la entrada de piedras de arrastre del fondo del río, la cresta de captación debe estar por encima del fondo del río La cota de la cresta de captación se colocará a 0.20 m. como mínimo debajo de la cota de la cresta del aliviadero de demasías. La entrada de agua por las ventanas de captación pueden ser por orificios o por vertederos.

ESTRIBOS Y MUROS DE ENCAUZAMIENTO Son estructuras que se construyen aguas arriba y aguas abajo del barraje en ambas márgenes con la finalidad de encauzar el flujo del río  y proteger las obras de toma.







Pueden ser de concreto simple, concreto armado o ser diques construidos de tierra o de enrocamiento. Para fijar la altura de los muros se calcula la curva de remanso que se producirá como consecuencia de la implantación del barraje en el río.

ALTURA TOTAL DE ESTRIBOS Y MUROS DE ENCAUZAMIENTO Los muros de encauzamiento pueden ser de concreto simple, concreto armado o ser diques construidos de tierra o de enrocamiento según los materiales que puedan conseguirse en zonas próximas a la toma. 

H = 1.25 (HO + p) 

 



H = altura total de los estribos y muros de encauzamiento P = altura del aliviadero de demasías. HO= Carga hidráulica de diseño sobre el aliviadero (incluye hv). Aguas arriba del aliviadero la altura, de los estribos decrecerá en forma discreta para los pilares.

DISEÑO DE MUROS DE ENCAUZAMIENTO (ESTRIBOS) 

MUROS DE GRAVEDAD:



-



- Resultante en el núcleo central.

 



Concreto ciclópeo o mampostería. F’c = 175-210 Kg/cm2 + 40% Piedra gruesa Diam. < 4 ”.

- Caso más desfavorable: no hay agua. - Fuerzas que actúan: Empuje de tierras, sismo, peso de la estructura. - El estribo debe terminar por lo menos al final de la poza y aguas arriba delante del paramento del aliviadero.

ESFUERZO PERMISIBLES 

FLEXIÓN COMPRESIÓN : CORTANTE



Empuje del suelo:

 

:

Φ = 0.65  Φ = 0.70 

:

Φ = 0.85 

Pa = Ea = 0.5 W H2 Ka Rankine: Pah = Pa Cos B = EH Pav = Pa Sen B = EV  

Donde Ka es igual a:

 Ka  CosB 

Cuando B = 0

CosB  (CosB  Cos 2  CosB  (Cos 2 B  Cos 2 

Ka = Tg2 (45º -

Ka = Coeficiente Empuje activo Kp = 1/Ka (pasivo) W = Peso específico del material

Φ/2 )

ESTABILIDAD DEL MURO:  Mest    F .S .V .   1.5  Mv olteo

vadm.  FR   F .S . D.    f    Pah  Pah

coef .Tg     vadm  Pah

 1.80

Verificación esfuerzos en tracción en la unión del miembro y la base: 



No considerar P/A debido a Pav ni el peso del muro. Usar los momentos debido a Pah y W y sumar momentos en el punto S.  F tensión 

6 M 

bh

2

 F compresión 

 P  6 M   A



bh 2