Criterio de Diseño de Una Bocatoma

 

CRITERIO DE DISEÑO DE UNA BOCATOMA Una bocatoma, o captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar parte del agua disponible desde un curso de agua (río, arroyo, o canal), desde un lago o incluso desde el mar. En ocasiones es utilizada en grandes ríos, pero su costo es bastante alto. El agua desviada se utiliza para un fin específico, como abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, acuicultura, enfriamiento de instalaciones industriales, etc. Tradicionalmente las bocatomas se construían, y en muchos sitios se construyen aún, amontonando tierra y piedras en el cauce de un río, para desviar una parte del flujo hacia el canal de derivación. Normalmente estas rudimentarias construcciones debían ser reconstruidas año tras año, pues las avenidas las destruían sistemáticamente. sistemáticamente. Esta obra constituye generalmente el inicio para el aprovechamiento hídrico.

ALTURA DEL BARRAJE: La altura del barraje se determina como la suma de la altura a la cual se encuentra la ventana de captación, la altura de esta ventana y el borde libre que se da por seguridad.

 

PERFIL DE LA CRESTA DEL BARRAJE: La fórmula que se aplicó para el perfil es la del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE.UU., la cual se presenta en la Figura 3. Esta se usó para la corona del barraje, pero con el fin de darle mayor ancho a la estructura y no hacerla muy esbelta, se usó una pendiente constante de 1:1 en la cara aguas abajo.

POZA DISIPADORA: Para el diseño de la poza disipadora se necesita primero conocer el tirante al pie del barraje y su tirante conjugado. El tirante al pie del barraje se calcula aplicando la ecuación de energía al inicio del barraje y al final de este:

Se toma como referencia el nivel de terreno natural y siendo “∆z” la profundidad de la poza, la altura del barraje “H”, la altura de la lámina de agua “Hd” se tiene ti ene que la

ecuación ahora es:

El valor de “Hd” se calcula usando la ecuación del vertedero vertedero:: 

El tirante conjugado se calcula usando la ecuación que se obtiene del principio de fuerza específica:

 

La longitud de la poza disipadora se calcula conociendo los valores de los tirantes conjugados usando varias fórmulas empíricas, de las cuales se presentan las de la Ta Tabla bla 1:

El espesor del colchón disipador se calcula usando la fórmula:

Donde “Sp” es el camino de percolación parcial y “St” es el camino de percolación total,

por lo cual este espesor varía de acuerdo al aumento del camino de percolación. El coeficiente de “4/3” es un coeficiente de seguridad y es recomendable que el espesor

sea mayor a 0.90 m. ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DEL BARRAJE: El barraje es un elemento de concreto que logra su estabilidad debido a su propio peso. A continuación se desarrolla el análisis de estabilidad de la estructura bajo la condición más severa, la cual se da cuando se produce el caudal de avenida. Las fuerzas que se toman en cuenta son: PESO PROPIO DEL BARRAJE: El peso propio del elemento viene a ser la fuerza más importante en el análisis de estabilidad, pues se trata de un elemento de gravedad. Esta fuerza debe ser capaz de contrarrestar las fuerzas que son desfavorables para lograr la estabilidad. La resultante de esta fuerza es vertical y su línea de acción contiene al centro centro de gravedad de la estructura. Por facilidad de cálculo, el perfil del barraje barraje ha sido dividido en secciones conocidas conocidas para evaluar la magnitud y posición de la fuerza de graveda gravedad. d.

 

EMPUJE HIDROSTÁTICO: El empuje hidrostático es una fuerza que resulta de las presiones producidas por el flujo de agua. La magnitud de esta fuerza es función del nivel del río aguas arriba en cualquier intervalo de tiempo, por lo que el máximo valor de este empuje se da para el caudal de diseño. EMPUJE DEBIDO AL LECHO DEL RÍO: Sobre la cara aguas arriba del barraje, existe un espesor de sólidos que son parte del lecho del río el cual produce un empuje en la estructura. El Bureau of Reclamation recomienda, para la fuerza horizontal, considerar al sólido como un líquido de peso específico igual a 1.4 ton/m³. EMPUJE DEBIDO A LA SUBPRESIÓN: La fuerza de subpresión es aquella que surge del empuje generado por el agua filtrada en la base del barraje. Para el cálculo de esta fuerza se realizó el análisis de agua subterránea usando el ssoftware oftware Pha Phase2 se2 v8.005 de la empresa Rocscience que realiza el cálculo de infiltración usando el método de los elementos finitos. También, en el análisis, se consideró y se modeló los agujeros rompe presiones que se colocan en la poza disipadora con el fin de disminuir el empuje. FACTOR DE SEGURIDAD AL DESLIZAMIENTO: El deslizamiento en el barraje es producido por el empuje horizontal que ocasiona el agua y el empuje de los sólidos del lecho del río. Este fenómeno debe ser contrarrestado por acción del peso propio de la estructura, pues esta fuerza origina una de fricción en posición contraria al deslizamiento. Se recomienda que el factor de seguridad al deslizamiento debe ser mayor o igual a 1.5. El factor de seguridad al deslizamiento (FSD) se calcula como:

es la suma de fuerzas verticales y horizontales respectivamente. El coeficient coefi ciente e de fricción fricción “ ” es el que existe existe en la interface del barraje y el suelo de cimentación.

 

FACTOR DE SEGURIDAD AL VOLTEO: El factor de seguridad al volteo se evalúa calculando los momentos producidos por las diferentes fuerzas ya evaluadas con respecto al pie del talón del barraje aguas abajo, pues esta es la situación más crítica. Se recomienda que este factor de seguridad sea mayor a 2. El factor de seguridad al volteo (FSV) se calcula como:

ANÁLISIS HIDRÁULICO USANDO GIS Y HEC-RAS: PRE-PROCESAMIENTO EN ARCGIS: Antes de realizar los cálculos hidráulicos en el programa Hec-Ras, primero se realizará un pre-procesamiento de los datos en un entorno GIS (Sistemas de información geográfica) como es el programa ArcGIS. En este entorno, se usará el software denominado HecGeoRas. Hec-GeoRas es un set de procedimientos, herramientas y utilidades para el procesamiento de datos geoespaciales en ArcGis usando una interfaz gráfica. La interface permite el procesamiento de datos geométricos para importarlos al programa Hec-Ras y procesar los resultados provenientes de este programa. Para crear el archivo a importar, se debe contar con un modelo digital del terreno, en este caso, se generará a partir de las curvas de nivel.

 

PROCESAMIENTO EN HEC-RAS: Una vez realizado el pre-procesamiento en ArcMap, se exportan estos datos al programa Hec-Ras para realizar los cálculos de n nivel ivel de agua. El programa Hec-Ras es un software de modelación hidráulica desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (HEC por sus siglas en inglés) del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos. El software Hec-Ras está elaborado para desarrollar análisis unidimensionales de flujos permanentes, flujos no permanentes y el cálculo de transporte de sedimen sedimentos. tos. Este modelo ta también mbién sirve para el cálculo de flujos subcríticos, supercríticos o una combinación de estos. ALTURA DE MUROS: Para determinar la altura de los muros se debe hallar la curva de remanso que se produce a causa del barraje ubicado en el río, para esto es necesario efectuar los cálculos en base al caudal de máximas avenidas. Aguas arriba del barraje el muro finaliza en el extremo de la curva de remanso, aguas abajo coincide con el final del enrocado de protección de la poza de disipación. Se debe tener en cuenta que se debe considerar un borde libre de 0.3m por seguridad y efectos de oleaje debido a vientos y los muros deben cimentarse por deba debajo jo de la profun profundidad didad d dee socavación. SOCAVACIÓN AL PIE DEL MURO: Para el cálculo d dee la socavación se trabajó con eell método de Lisch Lischtvan-Levediev, tvan-Levediev, el cual se resume en la siguiente fórmula para suelos no cohesivos:

Donde “Hs” es la socavación que se da en el muro, “y” el tirante normal, “ a” y “B” son coeficientes que tienen que ver con el periodo de retorno y la avenida máxima, “Dm” es el diámetro medio de las partículas del lecho y “1/1+x” es un coeficiente que es

función del diámetro medio de partículas.

 

DISEÑO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN: La ventana de captación captación es el elemento que empieza a captar captar las aguas y cuya función principal es impedir que elementos sólidos muy gruesos continúen el recorrido. Para lograr este objetivo, la ventana se coloca a una altura la cual se recomienda que sea no menor a 0.80 m. También la ventana ventana estará segmenta segmentada da por barrotes espaciados u una na distancia no mayor a 0.20 m. Para el diseño de la ventana usamos la fórmula del vertedero con el fin de que se obtenga el ancho efectivo de esta.

El número de barrotes a instalar se calcula como el ancho efectivo de la ventana dividido por el espaciamiento de barrotes menos uno. Una vez calculado este valor, el ancho total de la ve ventana ntana se obtiene de la ssuma uma del ancho efectivo co con n el espacio que ocupan los barrotes (número de barro barrotes tes por su espeso espesor). r). DISEÑO DEL DESRIPIADOR: El desripiador es el elemento que sigue luego de la ventana de captación. Su función es la de retener las piedras que lograron atravesar la ven ventana, tana, las cuales serán evacuadas por una compuerta conectada a un canal que descarga en el mismo río. El diseño del desripiador es similar al diseño de la poza disipadora del barraje. Siguiendo el esquema de la Figura 5, se empieza hallando la energía antes de la captación (posición “0”) y se iguala a la energía luego de la ventana (posición “1”) con el fin de de hallar hallar el tirante Y1.

Luego se halla el tirante conjugado Y2. Finalmente la longitud del desripiador lo hayamos con las ecuaciones de la poza disipadora.

 

DISEÑO DEL DESARENADOR:  DESARENADOR:  El desarenador tiene como objetivo principal el separar las partículas en suspensión gruesas (arenas) del agua. Para su diseño se empieza hallando la velocidad de sedimentación con la ecuación:

Donde “ρs” es la densidad de las partículas de arena, “d” el diámetro de estas y “Cd”

el coeficiente de arrastre que se calcula en ba base se al número de Reyn Reynolds olds como:

Luego se halla el área superficial del desarenador aumentando el valor por un coeficiente de seguridad de 1.75 según la fórmula:

Las longitudes del desarenado desarenadorr se hallan con el valor del área su superficial perficial y respetando que la relación entre el largo y el ancho esté entre 3 y 5, y que la relación entre el largo y la profundidad esté entre 5 y 20. DISEÑO DEL CANAL DE CONDUCCIÓN: La sección del canal que conducirá el agua captada se diseña teniendo en cuenta dos criterios principales. El primero es el de la sección de máxima eficiencia hidráulica, el cual busca para un mismo caudal, pendiente y material, la sección de mínima área mojada. El otro criterio es el de obtener una sección con una base mayor al tirante.

 

CRITERIO DE DISEÑO DE DESARENADORES Desarenador es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas. Información básica para el diseño La información básica para el diseño es la siguiente: a) Caudal de Diseño Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal máximo diario. b) Calidad fisicoquímico del agua Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de pre tratamiento y acondicionamiento previo. c) Características del clima Variaciones V ariaciones de temperatura y régimen de lluvias. 

TIPOS DE DESARENADOR:  DESARENADOR:    CONVENCIONAL: CONVENCIONAL:   Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las

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partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por el agua.   DESARENADORES DE FLUJO VERTICAL: El VERTICAL: El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube.

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  DESARENADORES DE ALTA RATA: Consisten RATA: Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas, que se disponen con un ángulo de inclinación con el fin de que el agua ascienda con flujo laminar.

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  TIPO VÓRTICE:  VÓRTICE: Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central c entral de un tanque circular.

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CRITERIOS DE DISEÑO: El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años. El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.

La velocidad de paso por el vertedero de salida debe ser pequeña para causar menor turbulencia y arrastre de material (Krochin,V=1m/s). La llegada del flujo de agua a la zona de transición no debe proyectarse en curva pues produce velocidades altas en los lados de la cámara

 

 

Si el flujo es controlado por un vertedero sutro tenemos la relación:

 

 

 

 

a)  a)  Si el flujo es controlado por un Parshall (garganta), tenemos la ecuación:

 

Dimensionamiento   Dimensionamiento Se determina la velocidad de sedimentación de acuerdo a los criterios indicados anteriormente en relación a los diámetros de las partículas. Como primera aproximación utilizamos la ley de Stokes.

Al disminuir la temperatura aumenta la viscosidad afectando la velocidad de sedimentación de las partículas. Se comprueba el número de Reynolds:

En caso que el número de Reynolds no cumpla para la aplicación de la ley de Stokes (Re