Bocatoma - 1

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DISEÑO DE LA BOCATOMA - 1 1.- Consideraciones generales en el diseño de la Bocatoma: hidrometereológica en la zona, el caudal de diseño se ha determinado a) Debido a la falta de información hidrometereológica mediante el método empírico de la Sección y Pendiente con el cual se realizarán el dimensionamiento las estructuras que componen la Bocatoma. Debido a la pendiente fuerte de la quebrada se diseñará la bocatoma para un resalto del tipo barrido, dado que no se consigue la sumergencia por el tipo de flujo supercrítico aguas abajo 2.- Cálculo de las Caraterísticas Caraterísticas del Río Datos de entrada: 0.035 m3/s Q= 0.032 n = S= 20.82 % Lo = 2.500 m dn =  A= P= R=  V= hv= 0.016 m 0.039 2.531 0.016 0.888 0.040 m2 m m/s m Caudal Caudal Máxima Máxima Avenida Avenida calculad calculado o Rugosidad de río Pend Pendie ient ntee pro prome medi dio o del del lech lecho o de queb quebra rada da Ancho de cauce de Quebrada Tirante normal Area Perímetro mojado Radio hidraulico Velocidad Altura de velocidad Q = 1 n  AR 2.- Dimensio Dimensionami namiento ento de la Ventana Ventana de Captación Captación Qc= L= hL= 0.002 m3/s m3/s caud caudal al de cap capta taci ción ón 0.250 m anch ancho o vent ventan anaa de capt captac ació ión n asum asumid ido o 0.200 m altura libre a) Sí trabaja como orificio ahogado Cd= h= 0.650 m 0.100 m Qc = C d  . A. 2 gH  ;  H  = h 2 Coeficiente de descarga rga altura ve ventana de de ca captación Qc = C d  . L.h. æ h +  ö hL ÷ è 2  ø 2 g ç + h L 2 3 S  1 2 b) Sí trabaja como vertedero h= 0.050 m é Qc ù h=ê ú ë1.84 L û altura ventana de captación 2 3 3.- Altura Altura de barraj barrajee 3018.378 m 0.150 m 0.100 m Co= ho = h= Cc= P= 3 0 1 8. 8 2 8 m 0.450 m Cota Cota del del lec lecho ho del del río río agua aguass arri arriba ba del del bar barra raje je altu altura ra del del umbr umbral al del del vert verted eder ero o de capt captac ació ión n altu altura ra de la vent ventan anaa de capt captac ació ión n calc calcul ulad ado o Cota de la cresta del barraje altura del paramento aguas arriba 4.- Dimensio Dimensionami namiento ento del barraje barraje a) Descarga sobre el vertedero Línea de Energía  X 1.85 Ha He = 2. Hd 0.85Y  Hd (4) Ccresta (3) (2) R1 X R2 (5) P.T. R3 P   a a     s     o       C  .       3 Y5-Y6       R (6) Y Co (1) Q = C . Lo .H d  Q= Lo = P= C= Hd= P/Hd= Q=  Vo= Ha= He= 3 R3.Sena Y5-Y6 Tan a a 2 0.035 m3/s Caudal de Máxima Avenida 2.500 m ancho de la Cresta 0.450 m altura del paramento aguas arriba 2.180 Coeficiente de descarga calculado 0. 0 3 4 m Carga de diseño sobre el vertedero 13.059 0.035 m3/s Verificación de descarga 0.029 m/s Velocidad 0.000 m 0.035 m (7) R3.(1-Cos a) C1 Ecuaciones para el coeficiente de descarga C, Según Gehy (1982) en función de la relación P/Hd, donde P es la altura del paramento de aguas arriba, y Hd la carga de diseño sobre el vertedero, siendo válido si H d = He del Cimacio. b) Perfil de la cresta del vertedero del barraje  Y = z= 1.85 8.755 X  1.50 m Ecuación general del perfil; Talu alud agu aguas aba abajo del del barr barraj ajee x 0.023 Punto de Tangencia, P.T.(x,y,Cota): Entr Entrad adaa a la la cre crest staa del del barr barraj aje: e: R1= 0. 0 0 7 R2= 0. 0 1 7 0.282Hd= 0. 0 1 0 0.175Hd= 0. 0 0 6 R=  T =  Tx=  Ty= Cota 3,018.820 Valo Valore ress de de las las coor coorde dena nada dass par paraa la la cre crest staa del del barr barraj aje: e: m m m m Curva de Enlace entre entre el perfil y el solado a =  y 0.008 æ   X 1.85  ö ÷ ç  H  0.85 ÷ è  d   ø Y  = 0.50ç 33.6 33.690 90 º 0. 0 5 2 m 0.016 m 0.013 m 0.009 m x y Cota 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.023 0.000 0.124 0.446 0.944 1.607 0.008 3018.828 3018.704 3018.382 3017.884 3017.221 3018.820 P.T. a R= 1.5xHd 1 1.50 Ty a Tx T c) Cálculo del nivel máximo y longitud del colchón disipador Ho= BL=  Altura Muro= Muro= 0.484 m 0.200 m 0.700 m Nivel máximo Borde libre Ho+BL Por Bernoulli y continuidad entre O y 1:  E o C o h  f   =  E 1 + hf   +  P +  H d  + = 0.1 V o2 2 g  = C 1 + d 1 + V 12 2 g  + h  f   V 12 2 g  Datos: Q= P= Hd=  Vo= Lo = Co= Cn= r= C1= d1=  V 1= F1= 0. 0 3 5 0.450 0. 0 3 4 0.029 2.500 3018.378 3018.478 0.100 3018.378 0. 0 0 4 3. 7 0 6 19.290 m3/s m3/s m m/s m m m m m m m/s Caudal Máxima Avenida altura del paramento aguas arriba Carga de diseño sobre el vertedero Velocidad en la la cresta Ancho de la Cresta Cota del lecho del río aguas arriba del barraje Cota aguas abajo del río  Altura en la que que se debe profundizar profundizar el colchón colchón o Poza Cota de la Poza de disipación Tirante al pie del barraje, conjugado menor Velocidad al pie del barraje Número de Froude d2 = - d1 2 2 + d2= d1 4 2 2V 1 d 1 +  g  0. 1 0 1 m Tirante conjugado mayor 0.101 < 0.116 ;d2 < r+dn ; CONFORME, Se presenta un resalto resalto ahogado El resalto es barrido y la longitud del resalto es igual a la longitud del colchón o cuenco amortiguador. Longitud del colchón disipador: 1 Según Schoklitsch:  Ld  Ld= 2 Según Safranez: Ld= 3 0.49 m  L d  = 4 . 7 . d 1 . F 1 0.34 m Según U.S. Bureau Of Reclamation:  Ld  Ld= 4 = (5  6)(d 2  d 1 ) Según Silvester: Ld= = 4.d 2 0.40 m  L d  = 7 . 65 d  1 ( F 1  1 ) 1 . 01 0.54 m  Valor Promedio: Ld= 0.450 m 5.- Control Control de la filtrac filtración ión - Método Método de Lane Lane Valor usado en el diseño Longitudes: Lv= 2.500 m LH= 3. 1 9 5 m LP= 3. 5 6 5 m C= Z= 3. 000 0.384 m Lw= 1.151 m Longitud de contactos verticales o que hacen un ángulo  mayor de 45º con la horizontal. Longitud de contactos horizontales o que hacen un ángulo menor de 45º con la horizontal. longitud total de la fundación de recorrido del agua  L  L p =  H  + LV  3 Coeficiente de Lane que depende del terreno, Ver Tabla 01 Diferencia de carga hidrostática entre la cresta del barraje y uña terminal de la poza de disipación. Longitud del camino de percolación Lp > Lw ; Satisfactorio, Ok! Tabla 01 Valores del coeficiente C para los métodos de Bligh y Lane Tamaño de grano (en mm) 0.005 á 0.01 0.1 á 0.25 0.5 á 1.0 Lecho del Cauce  Arena fina y limo  Arena fina  Arena gruesa Gravas y arena Bolonería, gravas y arena  Arcilla C (Bligh) 18 15 12 9 4-6 6-7 C ( Lane ) 8.5 7.0 6.0 4.0 3.0 1.6 - 3 6.- Longitud Longitud de Escoll Escollera era (Le) (Le) Le = Lt - Lc Donde: Lt = 0.67C Db*q) Lc  = 0.60C Dr  Lt Lc C Le = Lt - Lc Db: altura comprendida entre la cota de la cresta y cota de salida aguas abaj q: Caudal por metro lineal de vertedero Dr: altura comprendida entre la cota de la cresta y el nivel de aguas abajo C:Coeficiente C:Coeficiente de Bligh, Ver Tabla 01 0. 2 3 4 m 1.735 m 5 -1.500 m Coeficiente de Bligh Longitud de escollera DISEÑO FINAL DE BOCATOMA - 1 Proyección de muro de encauzamiento R1= 0.007 Nivel máximo de aguas R2= 0.017 1.85 Y= 8.75492 X 0.023 3018.828 0 .0 1 0 Hd= 0. 0 .034 Nivel mínimo de aguas 0.70 X R2 Ventana de captación R1 0.25 0.10 3018.378 0.15 Solado 0.008 0.45  a= 34º P.T. Y Barraje t' 0.15 3018.378 0.55 0.30 dn= dn= 0.01 0.0166 0.10 d1= 0.004 t Zampeado 0.30 3018.478 d 2= 0 . 1 0      =        R Z 0.30 0.131        2        5        0  .        0 Z= 1.5 1 1.55 0.40 0.40 0.50 0.15 0.30 0 .4 5 0.20 CURVA DEL CIMACIO X Y 0. 000 0. 000 0 .0 0 2 0 .0 0 0 0.005 0 . 0 00 0.007 0 . 00 1 0.009 0 . 0 02 0 .0 1 2 0 .0 0 2 0 . 014 0. 003 0 . 01 6 0 . 00 4 0 . 01 9 0.006 0. 021 0. 007 VERIFICACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE AZUD - (BOCATOMA -1) Peso específico del Concreto = a= 0.40 b= 0.45 c= 0.65 d= 0.15 e= 0.25 f= 0.25 g= 0.20 2.4 Diagrama de la Captación Tn/m³ a A A B C D TOTAL 0.432 0.468 0.351 0.120 1.371 0.20 0.65 0.62 0.10 W C C B d e 1.- Determinar el centro de Gravedad de la presa. MOMENTOS C/R A EXTREMO DER. SECCIÓN W (peso) DIST. c/r a O W A b MOMENTO Wi * X 0.086 0.304 0.216 0.012 0.619 DISTANCIA VERTICAL 0.625 0.325 0.550 0.125 D g MOMENTO Wi * Y 0.27 0.1521 0.19305 0.015 0.63015 W B c f Escollera 0 . 02 3 0 . 00 8 -1.50 VERIFICACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE AZUD - (BOCATOMA -1) Peso específico del Concreto = a= 0.40 b= 0.45 c= 0.65 d= 0.15 e= 0.25 f= 0.25 g= 0.20 2.4 Diagrama de la Captación Tn/m³ a A A B C D TOTAL 0.432 0.468 0.351 0.120 1.371 0.20 0.65 0.62 0.10 W C C B d e MOMENTO Wi * X 0.086 0.304 0.216 0.012 0.619 W B c D f g 1.- Determinar el centro de Gravedad de la presa. MOMENTOS C/R A EXTREMO DER. SECCIÓN W (peso) DIST. c/r a O W A b DISTANCIA VERTICAL 0.625 0.325 0.550 0.125 MOMENTO Wi * Y 0.27 0.1521 0.19305 0.015 0.63015 Wi * Y W 0.46 PUNTO DE APLICACIÓN DE LA RESULTANTE: Xc= 0.45 Wi * X W m Yc = m 2.- Determinación de la excentricidad de la presa vacía si se produce un sismo. con una aceleración de de la gravedad de 0.5 veces de la fuerza de gravedad. gravedad. (a=0.05*g) Fs=W/g*a (con el sentido de derecha a izquierda) …..(a) donde: Fs: W: g: a: Fuerza originada por el sismo Peso del macizo en Tn Gravedad terrestre Aceleración de la gravedad Fs = 0.00 0.0077 Si W.m1-Fs.Y = 0 = = = = ? 1.37 Tn 9.8 m/seg² 0.05 g …(b) Reemplazando (a) en (b): m1 = 0.05.Y = 0.023 m De la figura: Fs Xe = e + b/2 Y W Fr e = Xn - b/2 …( c ) m1 Donde "e" viene a ser l a excentricidad Así mismo: XR = m1 + X x e B/2 … (d) B/2 XR = 0.475 L m Reemplazando (d) en en ( c ) e = (m1+ X) - b/2 e = -0.18 m Verificación B = 1.30 B/ 3 < B/2 - m1 < 0.433 < 0.627 < OK! pasa por el tercio central 2/3B 0.867 3.- Determinación de la resultante de la fuerza de la presa y del agua cuando se produce la máxima avenida del proyecto pr oyecto actuando verticalmente. 1 0.18 0.04 0.39 p.e. del Agua H1 H2 H3 = = = Tn/m³ m m m MOMENTOS C/R A EXTREMO DER. SECCIÓN W (peso) DIST. c/r a O A B C D 1 2 3 TOTAL 0.432 0.468 0.351 0.120 0.072 0.070 0.054 1.567 0.200 0.650 0.617 0.100 0.200 0.444 1.196 MOMENTO Wi * X 0.086 0.304 0.216 0.012 0.014 0.031 0.064 0.729 DISTANCIA VERTICAL 0.625 0.325 0.550 0.125 0.940 0.620 0.486 MOMENTO Wi * Y 0.270 0.152 0.193 0.015 0.068 0.044 0.026 0.767 0.25 0.40 PUNTO DE APLICACIÓN DE LA RESULTANTE: Xc= 0.47 Wi * X W m Yc= 0.49 Wi * Y W m a 0.45 A Verificación 0.18 1 H1 b 2 W A W C C 3 B = 1.30 B/3 0.433 B d < < Xc 0.465 OK! < < 0.15 W B H2 H3 c 2/3B 0.867 e f D g pasa por el tercio central 0.20 4.-Cálculo de las subpresiones, valor total y punto de aplicación. Sección A B  H1 H2 H3 Xa Xb B   AGUA P1 P2 Datos Área     H  2       H  1 = = = = = = = = =   )   B 2 = 3    )  H  2 . B 1 2 0.63 0.15 0.25 0.65 0.87 1.30 1.00 0.63 0.15 2 3 2 3 ) =     H  2 B  H   1  )  H  2      B 3 Sp SP A SPB X B/2 2/3B Sp.X SPA-B/2 SPB-2/3B 0.63 Agua m m m m m m Tn/m³ Tn / m² Tn / m² H1 Presa P =*H 1 P =*H 2 =H  -H ) 1 PA PA S  2  Xa=B/2  X'  Sp PB S   X b =  B Sección A B Área 0.13065 0.41808 0.54873 Sp 0.13065 0.41808 X' = X 0.65 0.87 0.815 Sp.X 0.085 0.362 0.447 m 2 1 2  B 3 0.65 Lw = 5.-Cálculo de las Fuerzas horizontales 0.87 1.30 Para el cálculo de la resultante de l as fuerzas horizontales, se considera: 5.1 En el sentido del río a) El empuje Hidrostático (E1) (E1) (Avenida del proyecto) proyecto) E1 = Su linea de acción (L.A.) 1 2 L.A. = H12 = 0.304 H1 3 = 0.260 b) Empuje de aguas por sismo (E2) E2 = 0.55 0.555* 5*a* a* *(H *(H1)^2 = a=acelera a=aceleración ción sísmica sísmica de 0.05g 0.05g a 0.07g 0.07g Tn m Con respecto a la base 0.165 Tn Su línea de acció acción n (L.A (L.A)) LA = (4/3p)*(H/g) = 0.333 m c) Empuje adiciona adicionall por sedimentos sedimentos (E3) 1 2  '* H 2 2  ' = 0 .5  E3 =  ' = p.e. = 0.006 sedimento = 0.5 Tn Tn/m³  = p . e . agua La altura H2 del sedimento se mide con el m uestreador H2 = altura de sedimento de asolves integrador de profundidades. modelo VS - DH -48 E2 Su línea de acción  L . A . =  H  2 3 = 0.05 d) Empuje adicio adicional nal del suelo (E4) (E4) 1  " H=23 2  " = 0 .8  = E4 = 0.8  " = p.e.suelo  = p.e.agua H 3 = altura del suelo  L. A. =  H 3 3 = Wag 0.009 0.05 H5 4/3*H1 E1 1/3*H1 E3 1/3*H2 E'' E H4 E5 YRH Y' Wlos e H6 E' E''' 1/3*H3 E4 e) Empuje adicional por la aceleración de la masa de concreto de de la presa (Es) (Es) Es = 0.05*W LA = Y W = peso de la presa = 0.06 0.0685 8555 = 0.46 5.2 Las fuerzas que se oponen al sentido del río En él, se consideran: a) Peso de la losa de contraescar contraescarpe pe (zampeado) (zampeado) WLCWLOSA CONTRA ESCARPE  = *V = 1.080 V = (e.L)*1 = 0.450 H4 H5 H6 = = = 0.04 0.39 0.40 b) Peso del del agua sobre sobre el contraescarp contraescarpe e L éH4 + H5 ù = 0.214 * L * 1ú *  = H4 + H5  * 2 ë 2 û Wac = W aguas sobre contra escarpe = ê Wac = W losa contra escarpe + agua =  * V + H4 + H5  * L = 2 1.294 Éste peso generará un empuje contrario donde considerando un coeficiente de fricción entre la losa y el material de relleno debajo de la losa es f=0.28 E  = ' f * Wac (cuña) El empuje será: F = fN = 0.362 Empuje Hidrostático (E") 1 H4 2 = 0.001 2 1 L.A. = * H4 = 0.012 3 E" = altura de agua después de la presa p.e. agua Empuje del suelo (E''') E" =  '' = 1 2 ' ' H62 = 0 .8 * 0.064  = 0.8 Empuje contrario total (Ec) 0.427 =  E '+ E "+ E ' ' ' = Punto de aplicación de la resultante total:  Ec Empuje E1 E2 E3 E4 E5  - Ec YRH 0.304 0.165 0.006 0.009 0.069 -0.427 0.126 = Y 0.210 0.267 0.050 0.083 0.460 0.150 0.609 E.Y 0.064 0.044 0.000 0.001 0.032 -0.064 0.077 6.- Determinación de la resultante, magnitud, ubicación de la excentricidad para la presa llena Se toma en cuenta la l a quinta verificación:  Río X c.g. 0.609 E m YRH XR B/2 W' e' SP C O FR X' De la figura tomando momentos con respecto a "O" YRH = 0.609 E = 0.126 W = 1.567 Sp = 0.54873 X = 0.45 X' = 0.815 Y' = 0.609 B = 1.30 XR = 0.475  Mo = 0 å e' =  B 2 Sp .m   X  R = 0.18  B  ö +  E Y  RH   W  ' æ  ç  X   + e ' ÷ = 0 2 è   ø  pero  X  R =  X  '  m e' =  B 2   X  '  m ) =  B 2   X  ' + m  B  B  ö +  E Y  RH  = W  ' æ  ç  X   +   X  ' + m ÷ 2 2 è   ø m Sp .m +  E Y  RH  = W  '  X    X  ' + m ) Sp .m Realizando operaciones se obtiene "m" de (A) = e' = 0.63 0.63 B  X'+m.........( excentricidad dad) 2 Luego: e' = (B/2)- X'+m ……. (excentricidad) = B/ 3 0.43 < < e' 0.47 < < 0.47 2/3B 0.87 Por lo que la resultante debe estar dentro del tercio central y la presa será ESTABLE mas aún si se considera a todos los efectos desfavorables, o sea que en el mismo momento se produce la máxima avenida de proyecto. En este instante también se produce un sismo con el grado de aceleración de 0.05g, actuando de manera horizontal de derecha a izquierda o sea en el sentido del empuje horizontal máximo. Ok! 7.- Determinación del coeficiente de seguridad al volteo momento de estabilidad momento de volteo Me Cv = = 2.99 Mu Cv = Para el caso y recurriendo a la figura anterior, se toman los momentos con respecto a la arista "P" Me = W '* X = 1.57 W=peso de la presa mas agua X=distancia del punto de aplicación a "P" E c.g. X YRH P W' X' SP Mv = E.Y RH + Sp.X' = 0.52 Donde: E YHR Sp X' Cv = = = = = Empuje total horizontal Distancia vertical del E c/r a "P" Empuje de Subpresión Distancia horizontal de Sp c/r a "P" W '. X   E .Y  RH  + Sp. X ' Si coeficiente de volteo esta entre: 1.5 < Cv Cv < 3 No se prod produci ucirá rá volteo volteo 1.5 < 2.99 < 3 Ok! 8.- Coeficiente de seguridad seguridad al "Deslizamiento" "Deslizamiento" Para la determinación de éste coeficiente se considera el caso más desfavorable o sea el efecto combinado de los esfuerzos de fricción y corte y esta dado por la fórmula: Cd = Donde: f'c W' Sp f q B L E = = = = = = = = W'Sp)f + q.B.L = E 185.21 Resistencia del concreto (Kg/cm²) Peso de la presa + agua (Tn) Fuerza de la subpresión (Tn) Coeficiente de fricción 0.1f'c (resistencia al corte con que se construye la presa) = = = = = = = = (Tn/m²) Ancho total de la presa (m) 1.0 ml de la presa (m) Empuje horizontal total (Tn) Valores de Coeficientes de fricción (Valores del hormigón sobre suelo húmedo) Apoyo Roca Grava Arena Limo Arcilla F 0.6 - 0.7 0.5 - 0.6 0.4 - 0.5 0.3 - 0.4 0.2 - 0.3 E Concreto De acuerdo a ello se diseñan dientes de sujeción Roca W' Sp B Sección o zona de deslizamiento Si Cd>4 no se se producirá deslizamiento Para bajar "q" se trabaja con f'c menor  175 1.567 0.549 0.55 17.5 1.30 1 0.126 9.- Determinación de los esfuerzos normales de compresión para la presa vacía Se determina con la siguiente fórmula:  P  = æ   6e ö ç1 ÷  B. L è   B  ø W  Donde: W son los valores para la presa vacía = B = ancho de la presa = 1.30 L = 1.0 ml de la presa = 1 Pmax = Pmin = 1.371 e = -0.18 W æ  6e ö ç1+ ÷.......... enTn/ m² = 0.2004 BL è  B  ø W æ  6e ö ç1 ÷.......... .enTn/ m² = BL è  B  ø 1.9088 10.- Los esfuerzos normales de compresión con la presa llena P' max = W' æ  6e' ö P' = ç1 ÷.......... ....(Kg/ cm²) BL è  B  ø 3 .8 2 0.38 0.38 - 1 .4 1 -0.14 -0.14 P' min = (T ( T n /m ² ) (Kg/cm² (Kg/cm²)) (T ( T n /m ² ) (Kg/cm² (Kg/cm²)) En el presente caso se puede calcular los esfuerzos normales de corte con la e' max. 11.- Esfuerzos de compresión paralela a la cara aguas arriba de la presa (n) vacía Para el caso la cara de aguas arriba de la presa, es perpendicular a l a base y por ende: Tn2  = Tn (0ª ) = 0 ;  = 0 n = Pmax (1+ Tn2 ) = Asumir como valor próximo a     0.020 = (Kg/cm²) 0º = ángulo del del nivel freático freático paramento paramento mojado mojado 12.- Esfuerzo principal de compresión paralelo a la cara aguas abajo de la presa (n') vacía n' = Pmax (1+tan ²θ) = 0.76 (Kg/cm²) generalmente θ = 45º Tan 45 = 1 13.- Esfuerzo horizontal de corte en la cara aguas abajo de la presa (t') vacias t = Pmax (tanθ) = 0.000 (Kg/cm²) generalmente θ = 0º Tan (0) = 0 14.- Esfuerzo horizontal de corte en la cara aguas abajo de la presa (t') vacias t' = Pmax (tanθ) = generalmente θ = 45º Tan (45) = 1 0.382 0.382 (Kg/cm² (Kg/cm²))