Diseño de Presa Derivadora

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ingeniería

COLEGIO DE INGENIERÍA CIVIL Obras Hidráulicas I Profesor: I. José Escobar Chacón

Proyecto: Presa Derivadora Miguel Inclán JUAN MANUEL MOSQUEDA SÁNCHEZ 1

26 de Febrero de 2016

ÍNDICE Justificación del Proyecto..........................................................................................2 Demandas de riego...................................................................................................3 Gasto de derivación...................................................................................................4 Diseño del canal de conducción................................................................................4 Selección del sitio de la estructura............................................................................5 Diseño de la Obra de Toma.......................................................................................5 Elevación de la Cresta Vertedora..............................................................................6 Perfil longitudinal de la sección vertedora.................................................................6 Carga sobre el vertedor...................................................................................................6 Geometría de la sección del dique...................................................................................6

Ancho de la base del dique vertedor.........................................................................7 Diseño del delantal....................................................................................................8 Salto Hidráulico.........................................................................................................8 Cálculo del conjugado menor (d1)............................................................................................... 9 Cálculo del conjugado mayor (d2)............................................................................................. 10

Longitud definitiva de la estructura..........................................................................10 Subpresión...............................................................................................................11 Diseño del desarenador...........................................................................................11 Velocidad en el tramo de descarga.........................................................................12

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Justificación del Proyecto Metztitlán es un municipio del Estado de Hidalgo perteneciente al distrito de riego del mismo nombre, y ubicado en la Región Hidrológica Administrativa IX del Golfo Norte. Según datos del INEGI su temperatura oscila normalmente entre los 12 y los 22°C, posee un clima normalmente seco semi-cálido y su precipitación varía entre los 400 y los 1300 mm.

La economía de Metztitlán se basa principalmente en la agricultura, cuya proporción geográfica es 75 veces mayor a la destinada a la zona urbana; siendo los cultivos de maíz, frijol, calabaza y trigo los más representativos de las 4876 hectáreas destinadas a este fin. En los últimos meses y debido a las recientes sequías presentadas en el escurrimiento del río Metztitlán; la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) ha contemplado la necesidad de 3

mejorar la infraestructura existente en dicho afluente para lograr el abastecimiento requerido en las zonas de riego existentes, incrementándolas además en 1981 hectáreas; todo ello con el fin de garantizar el crecimiento y la estabilidad económica de los pobladores del municipio. En virtud de lo anterior, y después de estudiarse las diversas posibilidades que permitirían alcanzar tales fines, se ha propuesto la construcción del proyecto “Presa Derivadora Miguel Inclán”, de colcreto de sección vertedora libre y cimacio tipo Creager flotante.

Demandas de riego Para determinar la cantidad de agua necesaria para cubrir la superficie estimada por regar, se determinaron los usos consuntivos de los cultivos de la zona, los cuales se especifican en la siguiente plantilla: Cultivo Maíz Frijol Calabaza Trigo Total:

Proporción (%) Superficie (Has.) 34 2331.38 21 1439.97 25 1714.25 20 1371.4 100 6857

Con base en los datos de las estaciones climatológicas Zacualtipan, Ixmiquilpan y Actopan, ubicadas hacia los 20° Latitud Norte, y mediante los métodos de Thornwaite y Blaney-Criddle se calculó la evapotranspiración media mensual, observándose que es el mes de Marzo el que presenta la mayor demanda con una lámina neta de 10.71 cm: Cultivo Maíz Frijol Calabaza Trigo Suma Cultivo Maíz Frijol Calabaz a Trigo Suma

Enero

Febrero

Marzo

Abril 6.11

Mayo 2.44 2.93

Junio 3.21 3.7

5.8 4.91 10.71

3.87 9.98

2.56 7.93

6.91

3.48 4.82 4.82

3.48 Julio 2.19 1.4

3.59

Agosto 3.2

3.2

Septiembr e 4.16

Octubre

Noviembr e Diciembre

3.29

5.79

4.28

5.05

7.45

5.79

4.28

5.05 4

Dicho valor se incrementó en un 50% para cubrir las pérdidas por conducción y distribución, quedando la lámina bruta mensual en:

Gasto de derivación Es el gasto necesario para cubrir la máxima demanda mensual:

Por lo tanto, 4.25 m3/s será el gasto a adoptar para el diseño de la obra de toma y el canal de conducción.

Diseño del canal de conducción El canal será de sección trapezoidal, que de la fórmula de Manning y con los datos proporcionados posee el siguiente factor de conducción:

Para la determinación de la altura necesaria del canal, se iteró el valor del tirante normal hasta que el valor de AR2/3 igualara el factor de conducción obtenido, como se muestra a continuación: 5

Por lo tanto, 2.25 m será la altura del canal, cuyas características geométricas se resumen en el siguiente esquema:

Selección del sitio de la estructura Después del análisis de varias alternativas viables en el río Metztitlán que garantizaran la pendiente requerida para conducir el agua y entregarla en sitio adecuado, la localización topográfica del canal de conducción se estableció en la cota 93 msnm. De la misma manera, se adoptó un sitio angosto favorable que permite la colocación de una cresta vertedora de 93 m de longitud y sus respectivas estructuras de operación, cercana a su vez a la zona que se plantea beneficiar.

Diseño de la Obra de Toma La estructura de toma, que se encontrará en la margen derecha del río, consistirá en dos conductos de concreto de 1.52 m (60’’) de diámetro colocados a 2.00 m centro a centro 6

provistos de compuestas Miller, operadas con vástago y volante desde una losa de maniobras a una altura segura de 0.50 m sobre el Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias (NAME):

La carga total necesaria (pérdida) para el gasto de proyecto será de:

Elevación de la Cresta Vertedora La cota de derivación, como se explicó anteriormente, quedó establecida en 93 msnm, por lo que:

Perfil longitudinal de la sección vertedora Para el diseño de la sección vertedora se deberá determinar inicialmente la carga sobre la cresta que producirá el paso de la avenida máxima probable; para el caso, con base en los registros de precipitaciones y escurrimientos en la cuenca de las estaciones climatológicas mencionadas, se emplearon métodos empíricos y probabilísticos; aceptándose como razonable para esa avenida un gasto de 509 m3/s. Carga sobre el vertedor De la fórmula de vertedores Q = C L H3/2: 7

Geometría de la sección del dique Según los datos calculados:

Ancho de la base del dique vertedor El ancho de la base estará sujeto a las dimensiones de la curvatura del cimacio:

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Con estos datos y la proposición de dos dentellones de 1.00 m x 0.60 m en el desplante de aguas arriba y aguas abajo, queda definida la sección principal del dique. A continuación se muestra en el croquis el resumen de los cálculos realizados, que a su vez servirá de base para los subsiguientes.

Diseño del delantal

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Esta protección aguas abajo del cimacio será necesaria para preservar al cauce de la erosión producida por las descargas del vertedor y proteger por tanto a la estructura. Sus dimensiones dependerán de la longitud del salto hidráulico al paso de la avenida de diseño.

Salto Hidráulico Al pasar el agua sobre el vertedor se produce una sección de control y el tirante es el crítico. La sección vertedora es rectangular, por tanto el tirante crítico es:

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Cálculo del conjugado menor (d1) Será necesario que el salto se produzca en el delantal, construyéndolo más bajo que el nivel del río con el fin de confinarlo y evitar posibles erosiones aguas abajo. Según el proyecto el delantal quedó 0.40 m abajo del fondo del río, que será el escalón (P). Proponiendo d1=0.579 m

Por lo tanto el conjugado es correcto.

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Cálculo del conjugado mayor (d2)

Como se observa, la altura del cimacio sobre el delantal es aproximadamente igual a la del tirante d2, por lo que al paso de la avenida se tendrá un salto claro o al pie del cimacio.

Longitud definitiva de la estructura La sección máxima de la estructura queda definida por el ancho del dique vertedor más la longitud del tanque amortiguador para el salto y protección de la base del cimacio. En este caso:

La estructura quedará asentada sobre terreno permeable y estará expuesta a las acciones erosivas de las filtraciones que se producirán. Deberá verificarse que la longitud de su recorrido bajo la estructura sea suficiente para disipar la carga hidráulica y velocidades altas erosivas.

Paso de filtración

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Será la longitud que garantice que la estructura no se verá afectada por arrastres de materiales en cimentación y tubificación. Para verificarlo se revisará el paso de filtración por medio del criterio de Lane:

Como se observa la longitud efectiva propuesta por Lane es menor a la carga por vencer; por lo tanto, la estructura con las dimensiones calculadas, es estable y segura contra los efectos de la tubificación.

Subpresión Las filtraciones inevitables producirán fuerzas ascendentes que reducirán la estabilidad de la cortina; para atenuar sus efectos se instalarán en la base del cimacio tres líneas de “lloraderos” con sus respectivos filtros de grava y arena que permitan al agua aflorar aliviando la acción de la subpresión y auxiliando además contra la tubificación.

Diseño del desarenador Esta estructura tiene por objeto el arrastre de los sedimentos que se hayan depositado a la entrada de los ductos de toma. El canal de acceso a la estructura con pendiente de 0.0002 se controlará mediante una compuerta radial que cierre el canal hasta la altura de la cresta 13

vertedora. La apertura de la compuerta conducirá los sedimentos por el tramo de descarga hacia aguas abajo con pendiente mayor que la crítica.

Velocidad en el tramo de descarga Conviene que sea igual o mayor que la crítica y esté entre 3 y 6 m/s. Pendiente crítica

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A partir de la sección de la compuerta se dará al canal de salida una pendiente supercrítica de 0.015, el flujo será gradualmente variado, los tirantes tenderán hacia el tirante normal y en la salida la velocidad de descarga será mayor que la crítica de 2.55 m/s.

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