Diseño de un Barraje

10-5-2014

DISEÑO DE BARRAJE HIDROENERGIA

Luis Miguel Sánchez Valera Leonardo Palomino Becerra ING JOSE LONGA ALVARES

DISEÑO DE BARRAJE INDICE 1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 2.1. GENERALES 2.2. ESPECIFICOS 3. MARCO TEORICO 4. DISEÑO HISDRAULICO 4.1. ALTURA DE UMBRAL 4.2. BOCAL O VENTANA DE CAPTACION 4.3. ANCHO DEL BARRAJE 4.4. DIRECCION DEL FLUJO 4.5. PERFIL DEL BARRAJE 4.6. SOLADO O COLCHON DISIPADOR 4.7. ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA 4.8. ALTURA DEL MURO DE ENCAUSAMIENTO 5. CALCULOS Y PROCESOS PARA EL DISEÑO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7. ANEXOS

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DISEÑO DE BARRAJE

1) INTRODUCCION._ En la elaboración de un Proyecto tanto de Captación como de Irrigación una de las partes más importantes constituye el adecuado diseño de la estructura de captación. Estructura que permite el buen y eficiente funcionamiento del sistema en sí, ya que de éste depende la adecuada irrigación del área. La captación consta de la bocatoma, el canal de aducción y el tanque sedimentador o desarenador. Es importante por lo tanto, buscar el emplazamiento adecuado de una captación, para poder diseñar adecuadamente las estructuras siguientes, para que estas no fallen antes de su periodo de diseño en el tiempo de la estructura. Es importante, además, identificar y determinar todos los parámetros y variables que intervienen en dicho emplazamiento, diseño y construcción de una estructura de captación. En el presente informe se trata, en lo posible de cubrir algunas de estas variables e identificar las correctas para el diseño de una captación, conocidos algunos de los parámetros iniciales: Caudal máximo, lugar de emplazamiento, tamaño de rocas, tipo de estructura de captación, caudal de demanda, etc.

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DISEÑO DE BARRAJE 2) OBJETIVOS._ 2.1. GENERAL 

Diseñar la captación de rio para cubrir una demanda de 250l/s.

2.2. ESPECIFICOS  

Elaborar el diseño hidráulico de la captación de rio. Comprobar que el diseño propuesto cumple cumple con los requerimientos de estabilidad.

3) MARCO TEORICO._ Para diseñar una bocatoma u obra de captación es fundamental tener una información básica adecuada, de las características del río en la que se construirá la obra. Esta información se refiere a los aspectos siguientes:   Topografía



  Hidrología



  Geología





Hidrodinámica del cauce



Caudal de captación en relación al caudal del cauce.



Grado de seguridad seguridad de la la toma, de acuerdo a los objetivos de la obra de conducción y características del canal de conducción.



Aspectos logísticos.



Aspectos legales y ecológicos.

3.1. TOPOGRAFÍA Determinado el probable lugar de ubicación de la toma, se realizará un levantamiento topográfico, como mínimo 100 metros aguas arriba y abajo. Para tener el levantamiento en detalle de un tramo de 200 metros de longitud, sobre el cual se vacíe la información geológica e hidrodinámica (zonas de erosión y sedimentación) y topográfica propiamente dicha con pendiente del río y características del lecho y bordes del río. En base a esta información podrá definirse adecuadamente la ubicación final de la obra de captación y sus obras complementarias.

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DISEÑO DE BARRAJE 3.2. HIDROLOGÍA Es necesario conocer los caudales medios y mínimos de estiaje y los caudales medios y máximos de la época de lluvias, así como el transporte de sedimentos. En los caudales máximos, será necesario estimar el máximo, para períodos de 25 o 50 años en base a apreciaciones teóricas e informe de los campesinos de la zona sobre el nivel de las avenidas máximas, para confrontar estimaciones y diseñar la altura de las obras de defensa y características del barraje o azud. En relación al transporte de sedimentos es sumamente importante apreciar las épocas, características (calidad y cantidad) y el tamaño de los sedimentos, para determinar el diseño de compuertas, desarenador y despedrador.

3.3. GEOLOGÍA Es importante la información sobre la geomorfología, estratigrafía y descripción física y mecánica de las rocas, tanto del cauce como las laderas del río. En caso el sedimento aluvial cubra las rocas originales será necesario determinar la profundidad y características del relleno.

3.4. HIDRODINÁMICA DEL CAUCE Este aspecto de la información es sumamente importante para la concepción de las obras de captación, muchas veces es dejado de lado, por lo que se cometen errores en el diseño. Determinar la hidrodinámica del río, significa evaluar su comportamiento histórico, relacionando el comportamiento del punto específico de la captación, dentro de toda la trayectoria del río, desde su origen. En este aspecto es importante analizar el cauce del río en base a aerofotografías y planos en escala 1/25,000 a 1/50,000, desde su origen hasta su desembocadura en algún cauce mayor o el mar. Los aspectos puntuales, que se conocerán en el punto de captación, serán los siguientes: Si su ubicación corresponde a la zona de erosión, sedimentación o equilibrio (perfil del río). Su comportamiento en planta, que puede corresponder a los patrones siguientes:

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DISEÑO DE BARRAJE - Ríos de cauces estables - Ríos meandricos inestables - Ríos con variantes de cauce en estaciones y en años. - Ríos amostomosados

3.5. CAUDAL DE CAPTACIÓN Es importante determinar el porcentaje del agua que se va a captar en relación al caudal del río, para determinar el tipo de Bocatoma.

3.6. GRADO DE SEGURIDAD DE LA TOMA No todas las tomas tienen la misma importancia en relación a la seguridad o constancia de captar el agua sin falla durante el año. La importancia de las tomas en este sentido de mayor a menor seguridad pueden tener la clasificación siguiente: 1. Tomas para agua potable y piscigranjas 2. Tomas para hidroeléctricas 3. Tomas para irrigaciones grandes 4. Tomas para irrigaciones pequeñas.

3.7. ASPECTOS LOGÍSTICOS Se evaluará el acceso a la obra, campamento y condiciones para su operación y mantenimiento.

3.8. ASPECTOS LEGALES Y ECONOMICOS - Derechos de terceros sobre el agua. - Porcentaje de caudal de estiaje que se captará y efectos en el cauce aguas abajo.

4) DISEÑO HIDRAULICO._ El diseño consistirá en dimensionar el Barraje el cual es tipo vertedero, sección transversal rectangular y que tiene por objetivo elevar el nivel del agua para que el caudal requerido ingrese por el bocal.

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DISEÑO DE BARRAJE 4.1. ALTURA DE UMBRAL Viene a ser la altura a la que se encuentra la ventana de captación, se expresa por la siguiente expresión:

 ̅  

Donde: Xd: Tamaño medio de las rocas que transporta el río d50: Tamaño de partículas de la curva granulométrica

4.2. BOCAL O VENTANA DE CAPTACION 

Se supone una longitud del bocal “Lb” menor o igual a 1.50 veces el ancho de

la plantilla del canal principal.

        Estimar

el espesor del Umbral “E” en metros, de acuerdo a las características

del muro de encausamiento. 

Calcular “hO” aplicando la fórmula del gasto para un vertedero rectangular.

 

Donde:

Qo: Caudal de diseño del canal principal en m 3/seg. C: Coeficiente de descarga  e  hr    K    a 

4/ 3

.

V 102 2 g 

.Sen 1

Donde: e: Diámetro de las varillas de la rejilla en cm. a: Separación entre varillas. V10: Velocidad del agua frente a la rejilla en m/seg.  Altura

del Bocal hb   Ho  hr  bl 

Donde: bl: Borde libre (varía de 5 a 10 cm.) 4.3. ANCHO DE BARRAJE BARRAJE (T) El ancho del barraje se determina de acuerdo a forma de la sección, para lo cual se toman en cuenta dos consideraciones:

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DISEÑO DE BARRAJE   Parabólica

Cuando la sección es Parabólica o Irregular el ancho del barraje es: T=lo

  Trapezoidal

Si la sección es del tipo trapezoidal se tendrá en cuenta lo siguiente:

4.4. DIRECCION DEL FLUJO

                         

En ocasiones el bocal tiene cierta inclinación con respecto al eje del río, en tales casos se debe de corregir las pérdidas por rejilla mediante un factor de corrección que se muestra en la tabla.

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DISEÑO DE BARRAJE e/a 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

0º 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00

B1 10º 20º 30º 40º 50º 60º 1.17 1.10 1.08 1.06 1.06

2.18 1.50 1.33 1.28 1.26

3.34 2.00 1.66 1.53 1.45

5.72 2.60 2.15 1.94 1.81

4.55 3.19 2.68 2.37

6.14 4.55 3.76 3.34

4.5. PERFIL DEL BARRAJE La siguiente figura indica el perfil más adecuado de la cresta del Barraje Fijo:

La ecuación más recomendada para el perfil es la siguiente:

  

Las coordenadas del punto de tangencia (Xt,Yt) dependen del talud “Z” y debe

garantizar la estabilidad de la estructura. Para hallar las coordenadas, se encuentra la derivada de la curva y se iguala a la pendiente de la recta. Es recomendable utilizar: Z=1.5

4.6. SOLADO O COLCHON COLCHON DISIPADOR Para lo cual utilizaremos el principio de la conservación de la energía para poder calcular los tirantes.

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DISEÑO DE BARRAJE

 Cálculo

de V H: Para lo cual utilizamos las siguientes expresiones:

 

 Además debemos tener en cuenta que las pérdidas hf 0-1 0-1 están dadas por la siguiente expresión:



       

Cálculo del Tirante Comprimido Comprimido Y1:

Teniendo en cuenta la ecuación de la Conservación de la energía se tiene:

                  El Tirante comprimido y V 1 se calcularán al resolver el sistema de ecuaciones.  Cálculo

del Tirante Conjugado Y2:

 Aplicando la ecuación de energía entre las secciones 1 y 2, tenemos:

                 

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DISEÑO DE BARRAJE  Cálculo

del Tirante Normal Yn:

Finalmente calculamos el tirante normal utilizando la siguiente fórmula:

      



Longitud del Colchón Disipador Disipador y del Zampeado: Para determinar la Longitud del Colchón Disipador se utilizan las siguientes fórmulas empíricas:

                            Donde F1 es el número de Froud:

  √ 

La Longitud del Zampeado será calculada utilizando cualquiera de las siguientes fórmulas:

 Espesor

  ̅    

del Colchón Disipador:

Para determinar el espesor, debemos determinar la supresión en el punto considerado, el cual será a la mitad del Colchón disipador, para lo cual se tiene lo siguiente:

     

Donde: W: Peso específico del Cº H: Supresión en el punto considerado

  ( )

Donde: SP: Camino de Percolación Parcial (Hasta la mitad del Colchón Disipador) St: Camino de Percolación Total  Al inicio del colchón disipador, el espesor debe ser suficiente para resistir el impacto del agua que baja desde el azud:

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    

4.7. ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA

La Longitud de Escollera recomendada por Bling es:

          Además “C” es el Coeficiente de Bling, el cual depende del tipo de material ma terial en el

Lecho del Cauce: Lecho del Cauce  Arena Fina y Limos  Arena Fina y Limos  Arena Gruesa y Gravas Bolonería, Gravas y Arenas

"C" 15-18 12 9 4-6

4.8. ALTURA DEL MURO MURO DE ENCAUSAMIENTO ENCAUSAMIENTO  Altura

del Muro Aguas Arriba:

              Altura

del Muro Aguas Abajo:

            √   5) CALCULOS Y PROCESOS PARA EL DISEÑO._

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DISEÑO DE BARRAJE 6) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES._ 

El bocal, se diseña con el caudal de demanda de la cédula de cultivo.



Se diseñó la captación obteniendo obteniendo sus medidas las cuales fueron comprobadas por estabilidad al deslizamiento deslizamiento y al volteo.



Se diseñaron los muros de encauzamiento los cuales también también fueron comprobados por estabilidad al volteo y al deslizamiento.



Se colocaran lloraderos a lo largo del colchón de amortiguamiento para mitigar el efecto de la supresión.

7) ANEXOS: El 08/03/2014, se presentaron lluvias en la parte alta de la cuenca del Rio Chonta, aumentando el caudal de sus aguas:

EL POSTE

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Las aguas del Rio Chonta casi cubren 20 m3 de material. Podemos observar un puente de madera antes de que se lo lleve el agua.

Se puede observar la altura del puente con caudal normal y el día en que hubo una crecida del rio.

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