Diseño de Bocatoma

 

DISEÑO DE BOCATOMA

PRESENTADO POR: Fabio jose crespo

PRESENTADO A: HUMBERTO PEÑARANDA MENDOZA

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL RIOHACHA LA GUAJIRA 2016

1

 

Tabla de contenido INTRODUCCION............. ........................... ............................. .............................. ............................. ............................. .............................. ............................. .......................3 .........3 OBJETIVOS.............. ............................. .............................. ............................. ............................. ............................. ............................. .............................. ...............................4 ................4 PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA.............. ............................. ............................. ............................. ............................. ................................ .................. 5 SIMBOLOGIA............. ............................ .............................. ............................. ............................. .............................. ............................. ..........................................6 ............................6 MARCO TEORICO............... ............................. ............................. .............................. ............................. ............................. ............................................... ................................ 7 Localizacion Geografica del rio tapias.............. ............................ ............................. .............................. ............................. ..............................7 ................7  

Diseño de la bocatoma para el rio Tapias............. ........................... ............................. .............................. ......................................... .......................... 8

2

 

INTRODUCCION La Lass ob obra rass de ca capt ptac acio ion n so son n la lass ob obra rass ci civi vile less qu quee se ut util iliz izan an pa para ra re reuni unirr y di disp spone oner  r  adecuadamente del agua superficial o subterranea. Dichas obras varian de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimietno, su localizacion y magnitud. A contin continuaci uacion on se detall detallan an los criter criterios ios fundam fundament entales ales para para la ejecuc ejecucion ion de nuestro nuestro  proyecto, el cual consiste en diseñar la bocatoma de fondo de un sistema de acueducto para abastec abas tecer er las necesid necesidade adess de una comuni comunidad dad,, sintet sintetiza izando ndo de manera manera metodi metodica ca los conceptos y parametros socializados por el docente en el aula de clase que conlleven al éxito del proyecto. El diseño de la obra de captacion prevee las posibilidades de contaminacion del agua, comprende las estructuras que se requieren para controlar, regular y derivar el gasto hacia la conduccion; su importancia radica en que es el punto de inicio del abastecimiento, por lo que debe ser diseñada cuidadosamente. Un mal dimensionamietno de la captacion puede im impl plic icar ar defic deficit it en el su sumi mini nist stro ro ya qu quee pu pued edee co cons nsti titu tuir irse se en un unaa li limi mita tant ntee en el abastecimiento (subdimensionada), o en caso contrario encarecer los costos del sistema al operar en forma deficiente (sobredimensionada).

3

 

OBJETIVOS Objetivo general 

Diseñar una obra captacion que permita satisfacer las necesidades humana en el  presente y en el futuro en la ciudad de riohacha – la guajira

Objetivo especifico 

Implmentar las ecuaciones adecuadas para tener lo datos necesario



Identificar los requisitos requisitos minimos establecidos por el RAS 2000 para diseño de una obra de captacion

4

 

PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA El hecho de que la existencia de agua potable para el consumo humano constituye un reto para la salud pública en América Latina, entendiéndose que el agua de consumo humano ha sido definida en las Guías para la Calidad del Agua de la OMS, como aquella “adecuada para consumo humano y para todo uso doméstico doméstico habitual, incluida la higiene personal”. En esta definición está implícito que el agua debe estar estar libre libre de organism organismos os patógeno patógenos, s, sustanci sustancias as química químicas, s, impurez impurezas as y cualquier tipo de contaminación que cause problemas a la salud humana.

El deficiente acceso a agua potable en La Guajira está determinado por factores como una oferta hídrica escasa y sujeta a fuentes estaciónales, la demanda actual y las expectativas para otros usos como la explotación del carbón y el riego agríc ag rícola ola.. Adici Adicion onalm almen ente te,, no exist existe e una fuerte fuerte organ organiza izació ción n instit instituc ucio ional nal y empresarial para la administración del recurso hídrico, que se traduce en una deficiente prestación de los servicios públicos.

5

 

DELIMITACION DEL PROBLEMA :

6

 

MARCO TEORICO Localizacion Geografica del rio tapias    

Río Tapias (Hidrografía) Departamento: La Guajira Latitud: 11 11.3283 Longitud: -7 -73.2122 Longitud del rio tapia: 86 km

Caracteristica fisico – quimica del rio tapias

7

 

Diseño de la bocatoma para el rio Tapias Nivel de complejidad: Actualmente la comunidad tiene 1771 habitantes. Según el RAS 2000 en la tabla A.3.1. la comunidad presenta un Nivel de Complejidad BAJO

Caudales que presenta el rio El rio rio en su año hidr hidrol ológ ógic ico o pres presen enta ta 3 cauda caudale less en pr prom omed edio io,, un ca caud udal al máxi máximo mo (temporada de invierno), un caudal mínimo (temporada de verano o sequia) y un caudal  promedio (temporada de pocas lluvias): 3

Qmin =140 l / s =0,14 m / s 3

Qmax =960 l / s =0,96 m / s 3

Qmedio=290 l / s =0,29 m / s

Período de diseño Dependiendo del Nivel de Complejidad a la comunidad de camarones se le asignara un  periodo de diseño según el RAS 2000 en la tabla B.4.2., el periodo de diseño es de 25 años

Capacidad de diseño: Según el RAS 200 para el nivel medio de complejidad la capacidad de diseño de las obras de captación debe ser igual a 2 veces el caudal máximo diario.

Qdis =2 Q MD

(e.c. 1)

Ancho del rio El rio tiene un ancho de 8 metros en el área a trabajar 

Longitud de la presa La presa presentara una longitud igual al ancho del rio, es d decir ecir 4 metros  L= 4 m

Tipos de sedimentos que arrastra el rio El rio transporta arena y grava fina

Cota del fondo del rio La cota del fondo del rio es 100.00

Población de diseño

8

 

Teniendo un periodo de diseño de 25 años, sabemos que diseñaremos la bocatoma para el año 2021, procedemos a hallar hallar la tasa de crecimient crecimiento o de la población población utilizando utilizando el método  geométrico. Como ya se tiene la tasa de crecimiento podemos hallar la población futura para el año 2021

 Pf = Puc ( 1+ R )T  −T  f 

uc

2021 año − 19966 año

 Pf =1771 hab ( 1 + 0,02 )

=2905,513 hab

 Pf  ≈ 2905,513 hab

Dotación neta El RAS 2000 asigna una dotación neta máxima y mínima según el nivel de complejidad en el que se encuentre la población en la tabla B2.2. (Actualizada), como la comunidad de camarones se encuentra en un Nivel de Complejidad bajo las dotaciones netas máxima y mínima son:

 Dnet .max =175   l   hab∙dia

Perdidas en la dotación bruta Según el Nivel de Complejidad Complejidad el RAS 2000 asigna asigna un porcentaje porcentaje máximo de pérdidas en la tabla B.2.4., para la comunidad de camarones que tiene un Nivel de Complejidad alto su  porcentaje de pérdidas es de 25 %

Dotación bruta Según el RAS 2000 la dotación bruta viene dada por la formula

 Dbruta=

 

Dneta

1−%perdidas

Reemplazamos valores 175

 Dbruta=

  l hab∙dia

1− 0,25

 Dbruta= 233,33

  l hab∙dia

Caudal medio diario, máximo diario y máximo horario Procedemos a calcular los caudales requeridos por la población del municipio de Riohacha  Caudal medio diario:

9

 

 D bruta∗ poblacio  poblacion n Qmd = 86400 s / d

(233,33 Qmd =

  l )∗2905,513 hab 3 hab∙dia  l m   =7,84 = 0,00784 86400 s / d s s

3

 m Qmd =0,00784 s

 Caudal máximo diario:

Q MD= k 1 ¿ Qmd El k 1 según el RAS 2000 se le asigna según el nivel de complejidad presentada en la tabla B.2.5., para el nivel bajo que es el caso de la comunidad de camarones se le asigna 1,3 Reemplazamos valores

 l  l m Q MD=1,3∗7,84 =10,192 =0,0101 s s s

3

3

 m Q MD=0,0101 s

 Caudal máximo horario:

Q MH =k 2 ¿ Q MD El k 2 según el RAS 2000 se le asigna según el nivel de complejidad y el tipo de red de distribución presentada en la tabla B.2.6., para el nivel medio que es el caso de la comunidad de camarones y una red de distribución secundaria se le asigna 1,5 Reemplazamos valores 3

 l  l m Q MH =1,5∗10,192 =15,288 =0,0152 s s s m Q MH =0,0152 s

3

Caudal de diseño Reemplazamos el Q MD en la e.c.1 y hallamos el caudal con el que diseñaremos la bocatoma 10

 

 l  l  m Qdis =2∗15,288 =30,576 = 0,0305 s s s

3

3

 m Qdis =0,0305 s

Debemos comparar el caudal de diseño con el caudal mínimo del rio para determinar si este  puede garantizar que en tiempos de sequía proporcionara la suficiente cantidad para satisfacer las necesidades de la comunidad de camarones

Qdis < Q min 3

 m 3 0,0305   < 0 , 14 m / s s

(Si cumple)

Podemos observar que el rio es apto para la comunidad ya que en tiempos de sequía podrá suministrar a la población la adecuada capacidad de agua para satisfacer las necesidades de la población

Diseño de la presa  

Ancho de la presa La presa tendrá un ancho de 3 metros

 

Altura de la presa Se calcula la altura mínima, máxima, promedio y la de diseño; con cada uno de los debidos caudales

 H =

(

  Q 1,85 L

)

2 3

  Altura máxima

(

) ( 2

3   Q max 3 0,96 m / s =  H max = 1,84 L 1,84 ( 4 m )

)

2 3

 H max =0,26 m   Altura mínima

(

  Q min  H min = 1,84 L

) =( 2 3

3

))

0,14 m / s 1,84 ( 4 m

2 3

 H min =0,07 m 11

 

  Altura promedio

 ) (

(

2

3 Q MEDI   00 3 0,29 m / s =  H  MEDIA= 1,84 L 1,84 ( 4 m)

)

2 3

 H  prom= 0,115 m   Altura diseño

(

3

m 0,0305 2   Q dis 3 s =  H dis = 1,84 ( 4 m ) 1,85 L

(

)

)

2 3

 H dis =0,026 m 

Velocidades que llegan a la presa Se deben evaluar las velocidades que llegan a la presa con cada uno de los caudales

V =

 Q  L∗ H   Velocidad máxima

  Qmax

3

  0,96 m / s = V max =  L∗ H max ( 4 m )( 0,26 m)

V max =0,92 m / s  Velocidad mínima

  Qmin

3

  0,14 m / s = V min=  L∗ H min ( 4 m)( 0,07 m )

V min =0,5 m / s  Velocidad promedio

  Q MEDIO

3

  0,29 m / s = V  MEDIA=  L∗ H  MEDIA ( 4 m)( 0,115 m)

V  MEDIA= 0,63 m / s  Velocidad de diseño

12

 

  Qdis

3

  0,0305 m / s = V dis =  L∗ H dis (4 m)( 0,026 m) dis

V dis =0,31 m / s 3

0,3

verificamos verificam las calculadas cumplen Las velocidades deben estaresentre m continuar / s   y m / sel; si con la condición por lo cual apto para diseño dela os bocatoma

Diseño del canal de aducción  

Pendiente del canal La pendiente de un canal varía entre 1% y 4%. En este caso utilizaremos la  pendiente del 2%.

i =2 % 

Ancho del canal Hallaremos la máxima y la mínima distancia la que el chorro cae: 3 4

4 7

 X i =0,18 V  + 0,74 H  4 7

 X i =0,18 ( 0,31 m / s ) + 0,74 ( 0,026 m)

3 4

 X i =0,14 m 3 4

2 3

 X s=0,36 V  +0,74 H  2 3

 X s=0,36 ( 0,31 m/ s ) + 0,6 ( 0,026 m )

4 7

 X s=0,23 m 2 3

 X s=0,36 ( 0,92 m/ s ) + 0,6 ( 0,26 m )

4 7

 X s=0,62 m El ancho está dado por:

B= X s + c

13

 

c = 67 cm = 0,67 m

B=0,23 m + 0,67 m = 0,9 m B= X s + c c = 28 cm = 0,28 m

B=0,62 m + 0,28 m =0,9 m

Como se puede observar el ancho del canal es apto para recibir el caudal máximo

Diseño de la rejilla  

Ancho de la rejilla Tomamos el mismo ancho del canal que es 0,9 m

B=0,9 m  

Inclinación Según el RAS 2000 para la captación de aguas superficiales en cursos de agua de zonas montañosas, la rejilla de estar inclinada entre 10 % y 20 % hacia la dirección de aguas abajo. Para este caso se toma una inclinación del 20 %

i =20 % 

Separación de barrotes Según el RAS 2000 para ríos caracterizad caracterizados os por el transporte transporte de gravas finas, la separación entre barrotes de la rejilla debera estar entre 20 mm y 40 mm. Sabiendo esto se toman el valor de 40 mm para la separacion de barrotes

b =40 mm =0,04 m  

Diametro de la rejilla La barra que se utilizara tendra un diametro de:

ϕ¿

d = 0,019 m 

Velocidad en la rejilla A través de la fórmula de perdidas menores podemos hallar la velocidad de la rejilla, pero se hace necesario calcular los datos que qu e a continuación hallaremos 2  H = K   V  2g

14

 

V =

√

2 gH 

 K 

(e.c. 2)

  Factor de perdidas menores

En el RAS 2000 para hallar el factor de perdidas menores se usa la siguiente formula

()

 S  K = β b

1,33

∗sin α 

S= ¿ Diámetro de la barra  β =  β  = según el RAS 2000 en la tabla B.4.5. es igual a 1,79 con una sección G

α   = ángulo necesario para que se presente una pendiente del 20% −1

α = tan

(

  20 m 100 m

)=

11,31 °

Reemplazamos en la fórmula:

()

 S  K = β b

1,33

∗sin α =1,67

(

 )

0,019 m 0,04 m

1,33

∗sin (11,31 °)

 K = 0,86

Reemplazamos los datos en la ecuación e.c.2.

15

 

V =

√

2 gH 

 K 

 =

V =1,78 m / s

√

2 ( 9,81

m )( 0,15 m ) 2 s 0,86

Según el RAS 2000 la velocidad de a través a través de la rejilla debe ser  menor de 0,15 m / s ; pero como se puede observar la velocidad es mayor a la requerida, la solución es asumir la velocidad de 0,15 m / s   para hallar las dimensiones reales de la rejilla.

V = 0,15 m/ s 

Dimensiones de la rejilla Procedemos a calcular un área neta

Q= cd∗ An∗√ 2 gH   An=   Q cd∗ √ 2 gH   Coeficiente de descarga: asignamos un

cd =0,9

3

 An=

  0,0305 m / s 0,9∗0,15 m / s

 An=0,725 m 

2

Longitud de la rejilla De la fórmula del área neta podemos pod emos hallar l longitud real de la rejilla

 An=

lr =

  b ∗lr∗B (b + d )

 An ∗( b + d ) Bb

( 0,725 m ) ( 0,04 m +0,019 m ) 2

lr =

0,9∗ ( 0,04 m )

 

=1,19 m

lr =1,19 m 

Factor de seguridad

16

 

Se asignará 1,5. Este factor de seguridad se tendrá en cuenta para el largo de la rejilla Por lo tanto, el largo de la rejilla ser:

lr =1,5∗1,19 m lr =1,79 m lr ≈ 2,00 

Área neta real de la rejilla  An=

  0,04 m   b ∗0,9 m∗2 , m ∗lr∗B = (b + d ) ( 0,04 m+ 0,019 m ) 2

 An=1.22 m 

Numero de orificios en la rejilla 2

34 n =   An =   1.22 m B∗b ( 0,9 m )∗(0,04 m) =

n =34 

Numero de barrotes n barra=n + 1 =34 + 1=35

Dimensiones definitivas  Ancho: 0,9≈  1m

Largo: 2,0m

Volvemos con los cálculos del nivel del canal de aducción  

Niveles de láminas de agua  

( )

1

 Lámina de aguas abajo

(

3

2

)

1

2   ( 0 , 96 m / s ) 3  Q 3 h e= = =0,094 m 2  m 2 gB (9.81 2 )∗(1 m) s

h e= 0,094 m  

 Lámina de aguas arriba

17

 

e =0,3 m l c =lr + e= 2,0 m + 0,3 m= 2,3 m 2

h o= 2 he + he −

i Lc

2 0.5

2

− i Lc

3

[ (  ) ] ( [

3

2

h o= 2 ( 0.094 m) + 0.094 m−

  )] − (

0.02 ( 2,3 m ) 3

2

0.5

2 3

0.02 ) ( 2,3 m)= 0,13 m

h o=0,13 m  

 Altura total 

 H o =ho + BL =0,13 m + 0,11 m =0,25 m  H o =0,24 m  

 Altura final del canal 

 H e =0,11 m + 0,024 + 0,13= 0,27   La velocidad la final del canal  3

 Q   0,96 m / s m V e = = =1,02 B∗h e 1 m∗0,094 m s V e =1,02

m s

Dimensiones definitivas  Ancho: 1m

Largo: 2,5m

Diseño de la cámara de aquietamiento o de recolección 

Dimensiones de la cámara de recolección Hallaremos la máxima y la mínima distancia a la que el chorro cae: 4 7

 X i =0,36 V  + 0,74 H 

3 4

18

 

4 7

 X i =0,18 ( 0,98 m / s ) + 0,74 ( 0,096 m)

3 4

 X i =0,0,395 m 4 7

2 3

 X s=0,36 V  + 0,6 H 

2 3

 X s=0,36 ( 0,98 m / s ) + 0,6 ( 0,096 m )

4 7

 X s=0,51 m El ancho de la cámara es:

B= X s + c = 0,51 m + 1,49=2 m

Dimensiones definitivas  Ancho: 2m

Largo: 2m

Diseño del vertedero de exceso Para el diseño del vertedero de exceso es necesario calcular otros componentes como lo veremos a continuacion  

Caudales de excesos Para el cálculo del caudal de excesos se hace necesario calcular el caudal de captación para las tres condiciones de caudales en rio máximo, mínimo y promedio, y además con respecto al caudal solicitado o caudal de diseño

Qexceso =Q capt −Qdis

√ 

Qcapt =C d A n 2 gh  Caudal maximo

 H max =0,3 m 

Qcapt. capt. max max= 0,9 ( 1,08 m

2

)

√(

2 9.81

)

m ( 0,3 m )=2,35 m3 / s 2 s

3

Qcapt capt . max= 2,35 m / s   Caudal de exceso Q exceso =Q capt . prom prom−Q dis

19

(e.c.3)

 

3

3

3

Q exceso =2,35 m / s −0,094 m / s =2,256 m / s 3

Q exceso =2,256 m / s  

La longitud del vertedero Al vertedero se le asignara una longitud de 2 metros



Altura del vertedero

(

Qexceso  H = 1,84 L  H =

(

)

2 3

3

 ) =

2,256 m / s

2

3

1,84 ( 2 m )

0,72 m

 H = 0,72 m 

V =

Velocidad que llega al vertedero

Q exceso  L∗ H  3

V =

  2,256 m / s 2 m∗0,72 m

=1,567 m / s

V =1,567 m / s  

Ancho de la camara de exceso Hallamos la las laminas del chorro para determinar el ancho de la camara 3

4

 X i =0,36 V  + 0,74 H  4 7

4 7

 X i =0,18 ( 1,567 m / s ) + 0,74 ( 0,72 m )

3 4

 X i =0,81 m 2 3

4 7

 X s=0,36 V  + 0,6 H 

2 3

 X s=0,36 ( 1,567 m / s ) + 0,6 ( 0,72 m )

4 7

 X s=0,983 m

20

 

El ancho está dado por:

Bcám. exce= X s + c c = 51,7 cm = 0,517 m

Bcám. exce=0.983 m + 0.517 m=1.5 m

Dimensiones definitivas  Ancho: 1,5m

Largo: 2m

Cotas de los elementos de la bocatoma 

 Fondo del río en la captación 100.00



 Lámina sobre la presa: Diseño = 100.00 + 0.034 =100.034 Máxima = 100.00 + 0.3 =100.3 Promedio = 100.00 + 0.21 =100.21 Corona de los muros de contención = 100.00 + 1.00 =101.00



Canal de aducción Fondo aguas arriba = 100.00 − 0.25=99.75 Fondo aguas abajo = 100.00− 0.28=99.72 Lámina aguas arriba = 99.75 + 0.14= 99.89 Lámina aguas abajo = 99.72 + 0.096 =99.816



Cámara de recolección Cresta del vertedero de excesos = 99.72– 0.11= 99.61 Fondo = 99.61 – 0.60 = 99.01

Diseño de la tuberia de excesos Para evaluar la tuberia usaremos la ecuacion ecu acion de Hazen Williams

Q = 0.2785 C D

 

2.63

0.54

S

Longitud de la tuberia La longitud de la tuberia se estimo en 50m

l tub=8 m  

Cota de entrada

La cota es de 98m 21

 

 

Pendiente del terreno La pendiente del terreno s del 3%

S= 3 %  

Material El material a utilizar es PVC, con respecto a esto la constante de Hazen William 140

C =140  

Diametro de la tuberia El diametro de la tuberia la podemos hallar aplicando la formula de Hazen Williams

[

 

Q ϕ tub= 0,54 0,2785 ∗C ∗S

]

 1 2,63

 1 2,63

3

/s ϕ tub= 0,54 0,2785 ( 140)( 0,03)  

2,1 m

[

ϕ tub= 0,67 m=26,31

]

ϕ tub=tuberia comercial comercial

22

= 0,67 m