Desaren -Saltos de Agua

DESARENADORES

DEFINICIÓN

NECESIDAD DE UN Estructura que permite eliminar DESARENADOR ciertas partículas que se encuentran en suspensión en la masa fluida.- cuando el contenido

de materias en suspensión en el agua del río es alto.

- cuando los elementos de la obra, tales como tubería de presión, ruedas de la turbina, compuertas, etc. deben ser protegidos contra la abrasión por materias duras en suspensión, como arena.

- eliminar las materias finas de suspensión del agua, protegiendo así los elementos de la estructura.

Un desarenador ineficiente genera :

 Desgaste acelerado de turbinas de centrales hidroeléctricas

 Obstrucción de sistemas de riego tecnificado

 Erosión

de estructuras posteriores al desarenado

hidráulicas

 Reducción de la capacidad de los canales con el consecuente riesgo de inundación .

 Imposibilidad del consumo directo del agua, etc

Alabes de la turbina Pelton de la Central Hidroeléctrica Cañón del Pato, donde se aprecia el desgaste producido por las características altamente abrasivas de los sólidos en suspensión.

Ubicación   

 

El área de la localización debe ser suficientemente extensa para permitir la ampliación de las unidades. El sitio debe proporcionar suficiente seguridad a la estructura y no debe presentar riesgo de inundaciones. Garantizar que el sistema de limpieza pueda ser por gravedad y que la longitud de desagüe de la tubería no sea excesiva. Lo más cerca posible del sitio de la captación. El fondo de la estructura debe estar preferiblemente por encima del nivel freático.

DESARENADOR

DESARENADORES FUNCIONES •Lograr decantación de las partículas sólidas acarreadas en suspensión por la corriente de un canal.

•Conseguir la purga del material sólido decantado. • Se busca crear en el desarenador velocidades bajas y disminuir el grado de turbulencia.

DESARENADORES ELEMENTOS DE UN DESARENADOR

1.

Canal de Ingreso

2.

Transición de entrada.

3.

Naves Desarenadoras

4.

Transición de Salida

5.

Sistema de Purga

Qe

Qs

Transición de entrada

Transición de salida Naves del desarenador

Velocidades en el canal de ingreso y en las naves del desarenador Majes. Velocidad Desarenador Canal de ingreso

Majes

3.1 m/s

Velocidad en naves

Deposición de sedimentos

Desarenadoras

0.5 m/s

S% Canal de purga

Criterios de diseño 

La altura de agua en el desarenador debe ser tal que no cause remanso en el canal de ingreso, de lo contrario provocaría sedimentación en el canal.



Se debe calcular correctamente la velocidad de caída.

………Criterios de diseño  De presentarse turbulencia y vórtices en el desarenador, el valor de velocidad de caída disminuiría considerablemente y por consiguiente disminuiría la eficiencia.  El aumento de la Concentración de sedimentos hace que el valor de velocidad de caída aumente, por lo que si tenemos valores de concentración en el desarenador mayores a 2 gr/l, debemos considerar una mayor longitud de naves desarenadoras.

… Criterios de diseño  Buena operación del desarenador: si dejamos acumularse demasiados sedimentos dentro de la nave, estaríamos reduciendo el área de decantación por consiguiente el valor de la velocidad aumenta y disminuye la eficiencia.  La pendiente longitudinal de la nave desarenadora debe ser aproximadamente de 2% , lo cual garantiza una buena capacidad de arrastre de sedimentos depositados.

La elección del número de naves •

Continuidad servicio desarenado.

del de

•

Limpieza hidráulica del desarenador.

•

Reglas de operación simples.

•

Razones económicas.

•

Disponibilidad en el mercado de

Desarenador C. Hidroeléctrica CARHUAQUERO tiene un caudal de ingreso de 19m3/s, ceunta con dispositivos BIERI, 5 naves .

EFICIENCIA DE UN DESARENADOR • Condición fundamental de funcionamiento : eficiencia

requerida. No se logra por :

• Deficientes reglas de operación. • Las partículas que ingresan son de menor diámetro que el de diseño. • Formación de vórtices a la entrada del desarenador. • Poca longitud de las naves • Formación de curvas de remanso. • Mal diseño hidráulico y sedimentológico.

Vertederos al final de las naves. Estos obligan a que los caudales menores presenten remansos aguas arriba.

EFICIENCIA DE UN DESARENADOR  Muchos diseñadores utilizan

fórmulas de velocidad de caída que sólo está en función del diámetro de la partícula, lo que tiene la consecuencia de diseñar un desarenador con igual valor de velocidad de caída en Puno y en Piura.



Debido a esto, es frecuente encontrar que la mayoría de estructuras hidráulicas fallen por errores en la determinación de la longitud de la nave desarenadora, causado por un mal cálculo de la velocidad de caída.

Se pueden observar los vertederos al final de las naves desarenadoras, antes de su cambio por secciones con orificios.

• Se ha hecho casi una regla que el desarenador tenga eficiencias cercanas al 75%, en condiciones y concentración promedios y de 85 % en condiciones de concentraciones altas. • Para verificar la eficiencia es necesario tomar una muestra de agua al inicio y al final de la nave desarenadora y determinar la concentración y curva granulométrica de los sedimentos. • Se observa que los sedimentos se han depositado en la transición de salida, lo cual es un indicativo que el desarenador es muy corto, pero además que la geometría de dicha transición no es adecuada. Deposición de sedimentos aguas abajo de las naves desarenadoras causado por corta longitud de la transición de salida.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTOS DE PURGA DE ALGUNOS DESARENADORES.

Desarenador

Pendiente del Conducto de purga

Caudal de purga (m3/s)

San Gabán

2.5 %

3

Majes

2.0 %

5

Chavimochic

2.0 %

8

Desarenador Chavimochic

El Desarenador Hidroeléctrica SAN GABAN tiene un caudal de ingreso de 19m3/s, cuenta con unas rejillas a la entrada, desgravador, canales curvos, 4 naves .

DESARENADORES • Debe crearse las condiciones para

lograr durante la purga suficiente capacidades de transporte y lograr que los sólidos sedimentados se dirijan hacia las ventanas, orificios y conductos de purga . • Adicionalmente y para que la purga sea posible debe haber carga suficiente (desnivel) con respecto al río o lugar al que se descargan los sedimentos.

DESARENADORES • Si la descarga es, como ocurre generalmente, a un río debe verificarse la existencia de desnivel suficiente durante las avenidas, que es cuando por lo general se presenta la mayor cantidad de sólidos. •El diseño debe considerar necesariamente el conocimiento detallado acera del tipo de partículas sólidas que se desea eliminar: tamaño, cantidad y calidad.

DIMENSIONAMIENTO DEL DESARENADOR

Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partículas, es decir, que partículas de un diámetro superior al escogido deben decantarse. Para el dimensionamiento del desarenador se siguen los siguientes pasos:

I ) Seleccionar el diámetro de la partícula Desarenadores con fines de irrigación :

Clasificación del suelo por el tamaño de sus partículas.

Desarenadores para centrales Hidroeléctricas

II) • Determinar la velocidad horizontal Vd Velocidad de suspensión teórica o velocidad máxima critica de sedimentación de acuerdo a CAMP:

donde: d = diámetro granular a = coeficiente en dependencia de d

III Determinar la velocidad de caída de la partícula (w) STOKES w, es la velocidad de sedimentación de un grano en

agua sin movimiento. d, es el diámetro del mismo. F, fuerza que tienda a hacerlo moverse n, coeficiente de viscosidad dinámica que ha sido comprobado para diámetros menores de 0,1 mm, como:

Siendo: g, aceleración de la gravedad R’, densidad del material a sedimentar R, densidad del fluido donde se sedimenta el grano

HAZEN Expuso en forma similar a la fórmula de STOKES, pero para diámetros mayores de 0,1 mm.

D, OWENS Estudió experimentalmente la velocidad de caída de las partículas en agua calma , encontrando la formula : d , diámetro del grano (m). Y , Peso específico (gr/cm3). K , es una constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos.

SELLERIO Demostró por experiencias con granos de arena en movimiento en el agua la inaplicabilidad de la ley de Stokes para diámetros mayores de 0,1 mm

SUDRY

SCOTTY-FOGLIENI

KREY

Para granos que caen en agua calma dedujo:

Para granos de diámetro menor o igual a 2 mm.

Para diámetros mayores de 2 mm d , el diámetro del grano. Y , su peso específico .

BOSTERLI Abaco que relaciona los tiempos de caída con las profundidades de sedimentación

GUICCIARDI CORONADO FRANCISCO Con arena del río Mantaro, en el Perú, de pesos específicos entre 2,69 gr./cc y 2,75 gr./cc y diámetros entre 0,149 mm. y 0,59 mm. estudió la sedimentación en agua tranquila

RUBEY w : velocidad de caída ( m/seg) s: densidad de la partícula ( kg/m3)  : densidad del agua ( kg/m3) u: viscosidad dinámica ( m2/seg) d: diámetro de la partícula (m)



2  s    36  2   gd  2 3   d



6 d

IV. Determinación de la profundidad del tanque : (H) v

1 V.

1.5 m  H  4.00 m

Longitud de sedimentador (L):

L = (H x V)/W

TEORÍAS PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO Dobbins – Camp El grafico nos da el porcentaje de material que se deposita en el desarenador. “W” es la velocidad de caída de los materiales en agua calma, “L” la longitud de caída, V la velocidad media en el desarenador, h, la altura de caída, C, el coeficiente de la fórmula de Chezy, g , la aceleración de la gravedad

Velikanov. Basándose en el cálculo de probabilidades determinó la longitud de sedimentación “l” en metros en flujo con turbulencia. h, altura de caída en m w, velocidad de sedimentación en agua calma en m/s v, velocidad del flujo en m/s

l 

2 v 2



h  0.2 7.51w 2



2

EGHIAZAROFF

LEVIN

V W ' 5.7  2.3h  W’ = α v

  0.132 h

hv h3 / 2v l  1/ 2 w  v h w  0.132 v

Utilizando Coeficientes corrección “K”: L = K (h

x

v / w)

de

PROBLEMÁTICA EN DESARENADORES TINAJONES DESARENADOR RACARUMI – PROYECTO - TINAJONES

•Se ubica inmediatamente a la Bocatoma Racarumi,y conduce al Canal Alimentador un Caudal de 70 m3/s. Cuenta con 6 naves, para eliminar partículas mayores de 2 mm de diámetro, y un conducto de Purga hacia el río Chancay. •PROBLEMÁTICA: Actualmente el Canal Alimentador recibe sedimentos del Desarenador, como consecuencia de la falta de eficiencia del sistema y el significativo arenamiento que existe aguas arriba de la Bocatoma.

PROBLEMÁTICA EN

DESARENADORES

Desarenador Racarumi sedimentado,con vegetación.

PROBLEMÁTICA EN

DESARENADORES

DESARENADOR DESAGUADERO PROYECTO TINAJONES

• Caudal de 80 m3/s. Cuenta al ingreso con 4 compuertas y un sistema de limpia con 16 compuertas, para eliminar partículas mediante un canal de Purga hacia el río Reque (Chancay). •PROBLEMÁTICA: Actualmente se encuentra inoperativa , con sus pozas colmatadas, originando problemas de sedimentación en los canales Taymi, Pátapo, Lambayeque y Obras de arte.

Compuertas de ingreso al Desarenador

PROBLEMÁTICA EN

DESARENADOR DESAGUADERO

Después de haberse efectuado la Limpieza, se observan las naves y las compuertas de Limpia (1996).

DESARENADORES

PROBLEMÁTICA EN

DESARENADORES

DESARENADOR DESAGUADERO

Se observa la estructura totalmante arenada y con vegetación a lo largo de las naves.

¡ FIN DEL TEMA !

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

SALTOS DE AGUA

SALTOS DE AGUA  Son estructuras de regulación

que disminuye el nivel del agua a lo largo de su curso.

 Para evitar rellenos excesivos,

el nivel del lecho del canal aguas abajo se disminuye y los dos tramos se conectan mediante una estructura de caída apropiada .

 La caída se localiza de tal manera que los rellenos y los cortes del canal se equilibren en lo posible.  Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción.  Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones de CAíDAS SIMPLES, ESCALONADAS O RAPIDAS, según las variaciones del terreno.

 Las rápidas son apropiadas cuando la pendiente del terreno es superior al 30%. La estructura del canal debe ser fuerte, para soportar velocidades mayores de 6 m/s. Al final de la rampa se coloca un tanque disipador de energía.

 Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.

 Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una pantalla vertical en Disipadores de Impacto, por caídas consecutivas en Canales Escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en Disipadores de Tanque.  Las caídas del canal pueden utilizarse para desarrollos hidroeléctricos, utilizando turbinas de tipo propulsión o bulbo.  En general, las caídas se colocan con una pared de cresta baja y se subdividen en los siguientes tipos: (i) caída vertical, (ii) caída inclinada y (iii) caída en tubería.

CLASES DE CAÍDAS CAIDAS

VERTICALES

CAIDAS

INCLINADAS

CAIDAS

ESCALONADAS



CAÍDAS VERTICALES:



CAÍDAS VERTICAL, propiamente dicha:

Criterios de Diseño  Se

construyen, para desniveles hasta 4 m como máximo.

 Para

ser :

desniveles mayores la estructura puede

- Una rápida o - Caídas escalonadas.

 

El caudal vertiente en el borde superior de la caída Se calcula con la fórmula para caudal unitario “ q “

q  1.48 H 

1.5

Siendo el caudal total:

Q

2 de  B 2 g  H 1.5 (Fórmula Weisbach) 3



= 0.50

B

= ancho de caída





La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado. Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.



CARACTERÍSTICAS DE LA CAÍDA VERTICAL

a)

Ld  4.3 xD 0.27 z

Yp b)  1.00xD 0.22 z

Y1 c)  0.54 xD1.425 z

Y2 0.27 d)  1.66 xD Z

LJ  6.9Y 2  Y1 Donde: q2 D  gz 3

Que se le conoce como número de salto cos 

1.06 z 3  Yc 2

Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) contracción lateral completa en cresta vertiente, despojándose de este modo es espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lamina vertiente

b) agujeros de ventilación cuya capacidad se suministros de aire en m3/seg x m de ancho de cresta de la caída, según ILRI es:

qa  0.1

qw  Yp     Y 

1.5

Donde: qa= suministro de aire por metro de ancho de cresta y= tirante normal aguas arriba de la caída qw= máxima descarga unitaria sobre la caída

CAÍDAS VERTICALES CON OBSTÁCULOS PARA EL CHOQUE Se ha desarrollado para saltos pequeños.  Pozas con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente Se ha obtenido una buena disipación de energía.

Anchura y espaciamiento de los obstáculos = 0.4Yc Longitud mínima de la cubeta = Ld + 2.55Yc

Ld  4.30 xD 0.27 H q2 D gh 3

Q q B Con las contracciones laterales : Q = CLH3/2 C según tabla .

Sin las contracciones laterales:

 2 3/ 2  1 h Q  Bh  0.605   0.08 2 g  3 1050h  3 p  

Donde: B= ancho de la caída Q= caudal de vertedero o caudal de la caída P= el mínimo valor de P. será la diferencia de energías aguas arriba de la cresta y en la cresta donde se produce Yc. H= carga sobre cresta

2 

CAÍDAS INCLINADAS : Se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, causando serios daños por erosión si no se pone un revestimiento apropiado.



Mediante el análisis hidráulico se verifican los fenómenos del flujo.



Una caída inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes: -

Transición de entrada con sección de control Caída propiamente dicha Colchón Transición de salida

 

La sección :

Rectangular o trapezoidal.

La selección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.



Sección de control



Finalidad: mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo



Alcanzar la profundidad y velocidad critica.



Consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente.



La energía en el canal aguas arriba debe ser igual a la energía

en el punto donde se inicia la caída. DESNIVEL ENTRE FONDO Y CRESTA

TRANSICION DE ENTRADA

CAIDA PROPIAMENTE DICHA

Criterios

de diseño en caídas inclinadas: Sección rectangular. - La rampa inclinada en sentido longitudinal (talud): 1.5:1 a 2:1 -La inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado. - El ancho de la caída B y el Caudal Q obedecen a las mismas fórmulas de la caída vertical. -Es muy importante tener en cuenta la subpresión para luego tener en cuenta par calcular el número de lloradores.

DESNIVEL ENTRE FONDO Y CRESTA

TRANSICION DE ENTRADA

CAIDA PROPIAMENTE DICHA

CAIDA MOCHUMÍ Proceso Constructivo

CAIDA MOCHUMÍ Proceso Constructivo

CAIDA MOCHUMÍ - Proceso Constructivo -

CAIDA MOCHUMÍ En Funcionamiento

CAIDA MOCHUMÍ En Funcionamiento

GRADAS ESCALONADAS



Objetivo: reducir desniveles generalmente mayores que cuatro metros.



Tipos: Las de escalera simple Las de escalera obstáculo encajonada

 

con

CONSIDERACIONES DE DISEÑO A)

  

 

INFORMACION BASICA : Parámetros que influyen en el diseño y construcción de la estructura:

Datos topográficos de la zona : Desnivel vertical Longitud horizontal Pendiente promedio y Tipo de terreno.

DISEÑO HIDRAULICO

Número de saltos en los que se divide el desnivel total Consideraciones económicas Comparación de diferentes alternativas

•Así el desnivel total queda dividido en varios tramos verticales iguales, cada uno de un valor Za. •La carga H de agua sobre el vertedero :

Q = C b H

C = coeficiente = 1.8 - 2.0 (forma vertedero) B = ancho de la rápida constante en toda su longitud. H

obtenido será también igual para todos los escalones.

3/2

El

agua cae con un movimiento acelerado contrayéndose gradualmente el grueso del chorro, junto al fondo del cajón este grueso o calado contraído d1 está dado por la ecuación

siendo

d1  Q / b

2 g (T  d1 )

T = H +Y1 + Zb

Dentro

del cajón, el agua pasa de régimen supercrítico al régimen subcrítico, mediante la formación de un resalto, cuyos calados conjugados son d1 y d2.

 Sí el desnivel total queda dividido en varios tramos verticales iguales, cada uno de un valor Za. .

Según VA Shaumian, (Bibl. 8-3) para que el resallo se sumerja es suficiente que s



H + Y2 > 0.9 d2 ;

siempre que

Y2 > 0.25 d2

La longitud mínima del cajón: L = Lp + Lr Lp = Longitud de la parábola Lr = Longitud para que se forme el resalto. Se obtiene de la mecánica que Lp  2 y / g

 Los valores están dados por Y = Zb + 0.5 hb + Y1 V = Q/b hB

Tomando en cuenta tos siguientes datos experimentales:

Para el perfil hidrodinámico Para el vertedero pared delgada

hB = 0,74 Ho, hB = 0,67 Ho,

C = 2,2 C = 1.9

y

reemplazando valores, se llega a un resultado prácticamente igual para los dos

Lp =

1,04q1/3

siendo q

(Zb  Y1 )  0,22q 2 / 3

= Q/b

Para el caso de que no existiera vertedero a la entrada (Y1 = 0) y el agua cayera sin esta obstrucción, se tiene que según H. Rouse

hB = 0,715 d crítico o haciendo los reemplazos correspondientes hB = 0.334 q 2/3

2b  0,167q 2 / 3

Siguiendo un desarrollo similar al anterior se llega

 Lp =1,35q1/3

2b  0,167q 2 / 3

Según Agroskin  hB = 0,308q2/3 y se llega a un resultado final algo diferente

Lp = 1,46 q1/3

2b  0,154q 2 / 3

La longitud necesaria para la formación del resalto según Shaumian es igual a :



LR = 3,2 d2

PROYECTO TINAJONES

LA CASCADA CANAL ALIMENTADOR

B) Ejemplo de Diseño



Se tiene una ladera de 12 m de altura y 30 de longitud, en la que de-be construirse una rápida para un caudal de 6 m3/s. El canal de llegada y de salida es rectangular y tiene 2 m de ancho y el agua va con un tirante de 2m.



La carga sobre el vertedero para un valor de C = 2 da:

Grada escalonada con Obstáculo

Se tiene una ladera de 12 m de altura y 30 de longitud, en la que de-be construirse una rápida para un caudal de 6 m3/s. El canal de llegada y de salida es rectangular y tiene 2 m de ancho y el agua va con un tirante de 2m.

Solución: La altura total se divide en cuatro partes y se tiene Za = 12/4 = 3 m. La carga sobre el vertedero para un valor de C = 2 da: 6=2x2H

3/2

de aquí Y, = 2 - 1,31 = 0.69 m

H = 1,31 m



Teorema de Bernoulli.

d1 + V12/2g= 0.3 +2 + V22/2g 

d1 + 0.459/d12 = 2.56



d1 = 2.49 m



  

 

 

Asumimos un valor de Zb = Za = 3 m T = 1,31 + 0,69 + 3 = 5 m d1 = 0,314 d2 = 2,27 0,9 x 2,27 = 2,04 > 2 Como el valor de la segunda conjugada del resalto excede del valor admisible, debe repetirse el cálculo. Se asume un valor de Zb a; 3,3 m Como la distancia vertical entre los vertederos sigue igual 3 m, el valor Y2 aumenta a 0,99 m. El valor Zb es igual a 3 m. para el 2°, 3° y 4° cajones T = 5.3 d1 = 0,304 d2 = 2,31 m

 

0,9 d2 = 2,08 que es menor que la profundidad del cajón de 2,30 m. Se cumple también la condición de: P2 = 0,99 > 0,25 d2 = 0,58.

  

El primero, segundo y tercer cajón son iguales en sus dimensiones. El cuarto cajón se conecta directamente al canal de salida, y no tiene por lo tanto vertedero frontal. En la entrada al canal se produce una pérdida que se calcula por Bernoulli.

La Longitud necesaria de cada cajón está dada por la suma de las

longitudes de la parábola del chorro que cae Lp y de la longitud Lr necesaria para la formación del resalto. Lp = 1,04 x 31/3 (3 + 0,99 + 0,22 x 32/3)1/2 = 6.67 m Lr = 3,2 x 2.31 = 7,39 m La longitud total será 10,553m que se redondea a 11m.

GRACIAS