Ensayo Obras Hid

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BAJA CALIFORNIA

MATERIA: OBRAS HIDRAULICAS

ENSAYO OBRAS HIDRAULICAS

ALUMNO: PIÑA VASQUEZ JOSE LUIS

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INTRODUCCION GENERAL……………………………………………………………………………………………

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OBRAS DEL EXCEDENCIA……………………………………………………………………………………………..

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CLASIFICACION DE LAS OBRAS DE EXCENDECIA………………………………………………..

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ELECCION DEL TIPO DE OBRA DE EXCEDENCIA………………………………………………… .

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AVENIDA DE DISEÑO…………………………………………………………………………………………

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GEOMETRIA DEL VERTEDOR……………………………………………………………………………..

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DISEÑO HIDRAULICO DE CIMACIOS…………………………………………………………………..

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OBRAS DE TOMA………………………………………………………………………………………………………… . 10 MÉTODOS HIDRÁULICOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO DE OBRAS DE TOMA………….. 11 OBRA DE TOMA DIRECTA EN RÍOS…………………………………………………………………… . 12 DISEÑO HIDRÁULICO……………………………………………………………………………………… .. 13 DISEÑO GEOMÉTRICO………………………………………………………………………………………. 13 OBRA DE TOMA EN DIQUES………………………………………………………………………………

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OBRA DE TOMA EN PRESA DERIVADORA ………………………………………………………….. 13 ANÁLISIS HIDRÁULICOS…………………………………………………………………………………… .. 14 OBRA DE TOMA EN PRESAS DE ALMACENAMIENTO …………………………………………… 14 OBRAS DE DESVIO………………………………………………………………………………………………………… 14 ELEMENTOS DE OBRAS DE DESVIO……………………………………………………………………. 16 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………… . 15

REFERENCIA ELECTRÓNICA………………………………………………………………………………………….. 16

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INTRODUCCION GENERAL El control del rio durante la construcción de una presa implica proveer una o más áreas de trabajo libres de agua y libres de los escurrimientos del rio, para que las obras permanentes pueda construirse en seco. El diseño y la implementación de obras relevantes son operaciones críticas de todo el programa de construcción, especialmente en ríos de descargas medias o altas o ríos sujetos a escurrimientos súbitos e importantes. Las obras para el control de los ríos deben formar parte de todo el diseño del proyecto, la selección de la solución tendrá un impacto no solo en el costo de las obras temporales sino también en el diseño, programa de construcción y costo de las obras permanentes.

OBRAS DE EXCEDENCIA Las obras de excedencia o vertedores de demasías se construyen con objeto de dar paso a los volúmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento. En el caso de presas derivadoras, por el vertedor, pasan las aguas excedentes que no serán aprovechadas. Mientras que en una presa de almacenamiento se trata de evitar desfogues y por lo tanto el uso del vertedor. En el caso de las presas derivadoras, el funcionamiento de la obra de excedencias será más frecuente y, en algunos casos, permanente. En presas de tierra, para un mejor anclaje al terreno natural, la estructura de preferencia ha de alojarse en cualquiera de las laderas o en un puerto natural, pero eventualmente en el cuerpo de la cortina. Un vertedor mal proyectado puede originar que el nivel de agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar, sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales, graduados o de enrocamiento, la falla de la estructura principal. Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas mundialmente en presas de gravedad se han debido principalmente a la insuficiencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, 3

basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. Además de tener suficiente capacidad, se deberá cuidar que la descarga del vertedor no socave el talón de aguas debajo de la presa. Las partes esenciales de que consta generalmente un vertedor son el canal de acceso, cresta vertedera, canal de descarga (Figura 1) y disipador de energía (tanqueamortiguador o deflector tipo salto de esquí). El canal de descarga se recomienda se construya recto, pero si la topografía lo hace costoso se realizará en forma de curva. Estos canales deben resistir flujos a altas velocidades, por lo cual siempre deben ir revestidos.

CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS Generalmente los vertedores se clasifican de acuerdo con su rasgo más prominente como pueden ser la forma de la cresta, la forma como desfoga la corriente o alguna otra característica. Sin embargo, considerando únicamente la cresta vertedora, a continuación se da la clasificación de vertedores más usual en presas de almacenamiento: 1. Vertedores de cresta de caída recta. 2. Vertedores con cimacio tipo Creager

Los cuales pueden ser a) Económico o lavadero b) Descarga directa c) Canal lateral d) Abanico En los vertedores de cresta de caída recta, o casi recta, debe procurase, en el lado inferior de la lámina de agua, ventilar lo suficiente para evitar vibraciones en el cuerpo de la cortina. También deberá evitarse la socavación en la descarga del vertedor a través de un estanque amortiguador acondicionado, preferentemente, con bloques de impacto (Figura 2).

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El vertedor con cimacio tipo Creager es el más recomendado en cortinas de mampostería o concreto, donde la longitud del vertedor puede quedar alojado en el cuerpo de la estructura. Los cimacios tipo Creager se recomiendan su uso, respecto a vertedores de pared gruesa, ya que eliminan la turbulencia por carecer de aristas. Este tipo también es recomendado en cortinas de tierra donde el vertedor puede situarse en uno de los extremos de la boquilla (Figura 3).

ELECCIÓN DEL TIPO DE OBRA DE EXCEDENCIA Los factores más importantes para la elección del tipo de obra de excedencias dependerá e las condiciones topográficas y geológicas de la zona donde se alojará la obra de excedencias o vertedor de demasías; y del carácter del régimen de la corriente aprovechada; de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones localizadas aguas abajo; de los materiales; y del presupuesto disponible. Se evitará que las presas de materiales graduados o tierra sirvan de apoyo para la obra de excedencias, por lo que se buscará una de las laderas de la boquilla o, de preferencia, algún puerto apropiado. Solamente se aceptará que el vertedor esté apoyado en la cortina cuando se trate de presas de concreto y de mampostería

AVENIDA DE DISEÑO La obra de excedencias deberá diseñarse para el gasto máximo de descarga, y a la avenida que se utilice se le llamará “avenida de proyecto”. En la mayor parte de los casos,

especialmente para las estructuras que tienen un gran volumen de almacenamiento, la avenida de proyecto es la máxima avenida probable, es decir, la mayor avenida que puede esperarse razonablemente en una corriente y punto determinado que se elija. La avenida de diseño tiene implicaciones técnicas, económicas y sociales; del análisis de la combinación más conveniente definirá su magnitud.

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GEOMETRíA DEL VERTEDOR La descarga sobre la cresta de un cimacio se calcula con la fórmula de Francis en vertedores:

Donde: Q = Gasto de diseño, m3/s. C = Coeficiente del vertedor, tipo lavadero, y descarga directa C =1.45, cimacio C = 2.0. L = Longitud de la cresta, m. H = Carga de diseño, m. Después de haber calculado previamente la avenida de diseño, existen dos variables que influyen para la selección de la longitud de la cresta vertedora. 1. Si tiene restricción topográfica (no hay vaso suficiente), se propone la carga y se determina la longitud:

2. Si tiene restricción hidrológica (no hay agua suficiente), se propone la longitud y determina la carga:

DISEÑO HIDRÁULICO DE CIMACIOS Los vertedores, con descarga libre, pueden ser estructuras de pared gruesa o delgada, un vertedor de cimacio, para fines de diseño hidráulico, se considera como vertedor de pared delgada donde la cresta se ajusta a la forma de la vena líquida de salida (Figura 4).

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Las obras de excedencias deberán contar con muros de encauce, con perfil hidrodinámico, en los extremos de la cresta vertedora para que el agua llegue al vertedor en forma tranquila y sin turbulencias. En pequeñas obras de captación, el cimacio deberá ser recto en planta y perpendicular al eje del canal de descarga. La sección del cimacio deberá tener la forma de un perfil tipo “Creager” para evitar el desarrollo de presiones negativas en la cresta. Se buscará que el

canal de descarga tenga una pendiente mayor a la crítica y con descarga libre en su base. Los vertedores de cimacio tienen una sección en fo rma de “S”. La curva superior del cimacio, de un vertedor de cresta delgada, se ajusta rigurosamente al perfil de la superficie inferior de una lámina de agua con ventilación y constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas. La forma de esta sección depende de la descarga, de la inclinación del paramento de aguas arriba de la sección vertedora sobre el piso del canal de llegada. Scimemi E., realizó una serie de experimentos tendientes a definir el perfil de aguas, en zonas alejadas de la cresta, y propuso la siguiente ecuación: Donde: = Carga de diseño, m.  x, y = Coordenadas de un sistema cartesiano con origen en la arista superior del vertedor de cresta delgada, y sentidos positivos de los ejes hacia la derecha y hacia arriba es pectivamente. La forma usual de la cortina vertedora, consiste de una cara vertical en el paramento de aguas arriba, seguido de un chaflán a 45 grados y una cresta redondeada, seguido de un perfil tipo Creager (Figura 5). La cresta tiene esa forma, con el fin de lograr que la vena de agua no produzca vacíos al escurrir y produzca cavitaciones que den origen a fuerzas desfavorables a la seguridad contra volteo. La elevación de la cresta vertedora se fijará considerando la carga de trabajo a su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a 0.50 m, el que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia de la altura fijada a la cortina y la longitud del "fetch1", cuando exista peligro de oleaje.

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Las coordenadas del cimacio tipo Creager para una carga de 1 m son multiplicadas por la carga de diseño para la avenida máxima obtenida en el estudio hidrológico (Cuadro 1). Sin embargo, y dado un margen de seguridad, para cargas menores de 1.0 m se recomienda utilizar las coordenadas correspondientes a la carga unitaria. Para el cálculo de la longitud de la cresta vertedora, por medio de la fórmula de Francis (1), se toma un coeficiente de descarga C=2.

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OBRAS DE TOMA Se denomina obra de toma al conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado su aprovechamiento. De acuerdo con el aprovechamiento se proyectan obras de toma para presas de almacenamiento, presas derivadoras, plantas de bombeo y tomas directas en corrientes permanentes. 10

En el caso de las presas de almacenamiento, la función de la obra de toma depende de los objetivos del almacenamiento y así se tienen tomas para generación de energía eléctrica, para riego, dotación de agua potable, desvío de la corriente durante la construcción y como desagües para el vaciado rápido del vaso. Las obras de toma para abastecimiento de agua se utilizan en presas para controlar, regular y derivar el gasto hacia la conducción. Su importancia radica en que es el punto de inicio del abastecimiento, por lo que debe ser diseñada cuidadosamente para evitar un déficit en el suministro o en encarecer innecesariamente los costos del sistema por un sobredimensionamiento. La subvaluación en la capacidad de la toma genera un servicio de agua deficiente durante los periodos de máxima demanda, que se reflejan en la imposibilidad de entregar el caudal requerido o dejar tramos de la red de distribución sin suministro. Por otra parte, la sobrevaluación, además de encarecer los proyectos de obra, hace que la operación hidráulica sea deficiente, ya que puede implicar, en el caso de servicios entubados, bajas presiones. Las obras de toma pueden también funcionar como reguladoras, para dar salida a aguas temporalmente almacenadas en el espacio destinado al control de avenidas, o para desalojar con anticipación a la llegada de avenidas. Además, las obras de toma en presas pueden servir para vaciar el vaso cuando se hace necesario inspeccionarlo, hacer reparaciones indispensables, o para mantener el paramento mojado de la presa u otras estructuras normalmente inundadas. Las obras de toma pueden también auxiliar para descargar el vaso cuando se desean controlar peces inútiles u otros animales acuáticos en el vaso. El dimensionamiento de las obras de toma incluye como base, el conocimiento de la demanda de agua en sus diferentes usos (agrícola, ganadero o doméstico), así como los niveles de operación, mínimos y máximos, del cuerpo de agua de la fuente (presa, rio, corriente subsuperficial, manantial, etc). MÉTODOS HIDRÁULICOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO DE OBRAS DE TOMA El estudio del funcionamiento hidráulico de la obra de toma se hace con el objeto de determinar las dimensiones de los distintos elementos que en ella intervienen, por ejemplo: el tamaño de las rejillas, diámetro del conducto o conductos, etc. La importancia de conocer el funcionamiento hidráulico de una obra de toma, radica cuando ésta trabaja bajo diferentes condiciones de carga. Los métodos para el análisis hidráulico de obras de toma, se resumen a continuación:

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Hidráulica de orificios. Hidráulica de canales abiertos y de cauces naturales. Hidráulica de conductos a presión (tuberías).

En este apartado se explicará únicamente el análisis hidráulico de obra de toma con tubería trabajando bajo presión. Ya que en el cálculo hidráulico de obras de toma en presas de almacenamiento intervienen principalmente las pérdidas de carga que ocurren en la toma, a continuación se tratarán en detalle estas pérdidas. OBRA DE TOMA DIRECTA EN RÍOS La forma de captar agua de una corriente superficial, mediante una toma directa, varía según el volumen de agua por captar y las características de la corriente, es decir, el régimen de escurrimiento, que puede ser del tipo permanente o variable, su caudal en época de secas y durante avenidas, velocidad, pendiente del cauce, topografía de la zona de captación, constitución geológica del suelo, material de arrastre, niveles de agua máximo y mínimo en el cauce, y naturaleza del lecho del río. Las obras de toma directa en una corriente, cualquiera que sea el tipo de obra que se elija, debe satisfacer las siguientes condiciones: 

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La bocatoma se localizará en un tramo de la corriente que esté a salvo de la erosión, el azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual. La cota del conducto de la toma se situará a un nivel inferior al de las aguas mínimas de la corriente. En la boca de entrada llevará una rejilla formada por barras y alambrón con un espacio libre de 3 a 5 cm, la velocidad media a través de la rejilla será de 0.10 a 0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante. La velocidad mínima dentro del conducto será de 0.6 m/s, con el objeto de evitar azolve. El límite máximo de velocidad queda establecido por las características del agua y el material del conducto.

Para llevar a cabo el proyecto de una obra de toma en forma satisfactoria, es necesario considerar los aspectos hidráulicos de manera cuidadosa, requiriéndose definir, para la ubicación seleccionada, los siguientes aspectos: 

Los caudales promedio, máximo y mínimo del escurrimiento en el cauce.

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Los niveles asociados al caudal máximo, medio y mínimo de operación. Estimación del arrastre de sedimentos a lo largo del cauce. Calidad del agua en la fuente.

DISEÑO HIDRÁULICO Es posible establecer el volumen o caudal de agua que lleva una corriente superficial mediante aforos; el método más usado para aforar corrientes es el de Método de la Relación Sección – Velocidad. DISEÑO GEOMÉTRICO Los elementos que en general, integran una obra de toma directa en río son (Figura): el canal de llamada o tubería de llegada, la transición de entrada, la estructura de entrada, los conductos y la cámara de decantación. OBRA DE TOMA EN DIQUES En escurrimientos perennes, cuando en época de estiaje el nivel del agua no alcanza a cubrir la toma, y el barraje es una estructura débil, lo más conveniente es la construcción de un dique. Los diques son estructuras definitivas construidas para obstruir el cauce, que se han simplificado en cuanto a los elementos que la componen, incorporando la obra de toma, el vertedor de excedencia y el desagüe de fondo dentro del propio cuerpo del dique OBRA DE TOMA EN PRESA DERIVADORA Las presas derivadoras, en términos generales, son aprovechamientos hidráulicos superficiales, en corrientes de bajo tirante, que permiten la captación del agua para diversos usos. Cuando el agua de un río se requiere aprovechar, pero por sus bajos niveles topográficos no permite captarlas de manera apropiada, es posible la construcción de una pequeña cortina con objeto de que los niveles mencionados aumenten para 13

su derivación lateral. La presa derivadora consiste en: una cortina vertedora, la obra de toma y la estructura de limpieza. La obra de toma está formada por orificios alojados en un muro, paralelos al flujo del cauce, obturados con compuertas y operados con mecanismos manuales o eléctricos ANÁLISIS HIDRÁULICOS Para el diseño hidráulico de las presas derivadoras se deberán considerar los siguientes aspectos: 

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Definición de los niveles de operación mínimo y máximo, en el sitio de la derivadora, para establecer los niveles de operación, y la carga hidráulica para obtener el caudal necesario. Dimensiones del orificio. Gasto máximo que pasa por las compuertas. Capacidad del mecanismo elevador.

OBRA DE TOMA EN PRESAS DE ALMACENAMIENTO Las presas cuentan con diversas obras que garantizan su operación eficiente bajo diversas circunstancias: cortina, obra de toma y obra de excedencia. El agua que fluye por el cauce de un río es atrapada y almacenada por medio de la cortina, y su aprovechamiento se lleva a cabo mediante una obra de toma. En general, una obra de toma consiste en: estructura de entrada, conductos, mecanismos de regulación y emergencias con su equipo de operación y dispositivos para disipación de energía.

OBRAS DE DESVIO Las obras de desvío o de desviación son aquellas estructuras que sirven para dar un nuevo encauzamiento a las aguas fluviales, así como protección a la zona de obras durante un período determinado, siempre y cuando no sea posible ejecutar dichas obras, previamente en seco, como por ejemplo en época de estiaje. Las obras de desvío total o parcial de un río para la construcción de estructuras hidráulicas en su cauce, juegan un papel importante durante la ejecución de las obras permanentes. Por tal motivo su diseño debe asegurar a los ejecutores su buen funcionamiento, que permitan la construcción de las obras permanentes con un mínimo de riesgos. Existen diversas situaciones en las cuales es posible recurrir a modelos físicos como una forma de investigar, bajo condiciones relativamente simples, seguras y controlados ciertos tipos de fenómenos más básicos que sería muy difícil o costoso investigar directamente en el prototipo. Tales situaciones como problemas concretos de proyectos de obras e 14

intervenciones fluviales aunque puede ser algo costoso y necesita un tiempo de construcción y ensayo, suponen un ahorro mucho mayor gracias a las mejoras introducidas, a la corrección de defectos que hubieran obligado a obras futuras de reparación, al mejor conocimiento y a la mayor seguridad que se consigue.

ELEMENTOS DE OBRAS DE DESVIO Según el método que se utilice para desviar el escurrimiento se usarán una o varias estructuras, entre las que figuran las siguientes: 

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Ataguías: Es un dique provisional que deriva la corriente y/o aísla la zona de las obras durante el período de construcción, que incluso pueden ser algunos años, dependiendo de la magnitud éstas. Por ello, se le dará la seguridad correspondiente al servicio que prestará. Obras de conducción: Se puede presentar de la siguiente manera: 1. Canal o tajo temporal, que trasvasa el agua hasta la zona de aguas abajo de las obras a través de las presas de tierra. En los emplazamientos, en los que no es factiblemente económico construir un túnel o un conducto lo suficientemente grande para dar paso a la avenida de diseño, se puede recurrir a un canal provisional que pasa por un tramo sin construir de la presa por donde se encauzarán las aguas mientras se construye el resto de la presa. 2. Conducto, a través del cuerpo de las presas de concreto o materiales graduados. La obra de toma para las presas de tierra exigen con frecuencia la construcción de un conducto que puede utilizarse para la desviación durante la construcción de la presa. Esta manera de desviar la corriente resulta económica, sobretodo si el conducto por utilizar en la obra de toma es adecuado para dar paso a los gastos por desviar. 3. Túnel de desvío, a través de laderas. En zonas angostas o montañosas de abrupta configuración no es posible realizar los trabajos de las cimentaciones de las obras hasta que se desvíe la corriente y ante esta situación es inevitable el uso de túneles para desviar el flujo, tanto si se trata de una presa de concreto o de tierra.

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Canales de entrada y de descarga,  con frecuencia son necesarias en las obras de conducción que tienen un conducto enterrado o túnel, un canal de entrada que encauce el agua desviada por la ataguía a la estructura de conducción y un canal 15

de salida que retorne el agua al río, aguas abajo. 

Obras de transición, vienen ha ser las obras nexos o de empalme entre el canal de entrada y descarga con la obra de conducción. Deberán ser graduales de manera de evitar los cambios bruscos.

CONCLUSIONES De acuerdo a lo anterior se sabe que para el diseño de cada obra para el control del agua se debe de tener en cuenta las características físicas del terreno, el tipo de caudal que este va a contener así como el tipo de corriente al cual estará sometida dicha obra ya que de esto dependerá el tipo de obra que se va a emplear así como el correcto funcionamiento de ella.

REFERENCIA ELECTRÓNICA SAGARPA “Obras de excedencia”

http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/noticias/2012/Documents/FICHAS%20TECNI CAS%20E%20INSTRUCTIVOS%20NAVA/FICHA%20TECNICA_OBRAS%20DE%20EXCEDENCIA S.pdf  SAGARPA “Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos”

http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/noticias/2012/Documents/FICHAS%20TECNI CAS%20E%20INSTRUCTIVOS%20NAVA/FICHA%20TECNICA_OBRAS%20DE%20TOMA.pdf  “Cierre de cauces y obras de desvio”

http://eias.utalca.cl/isi/publicaciones/unam/cierre_de_causes_y%20obras_de_desvio.pdf  “Estudio en modelo hidráulico de las obras de desvío e la central hidroeléctrica san gabán

ii” http://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1173/ICI_089.pdf?sequence=1

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