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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FISICAS Y MATEMÁTICA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL DISEÑO HIDRÁULICO II
TEMA:
DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS DE CAUCASIANA)
NOMBRE: OTAVALO ALBA JOSÉ HOMERO
SEMESTRE: SEXTO-TERCERO
PROFESOR: ING. SALOMÓN JAYA
FECHA DE ENTREGA: 24/01/2013
UNA TOMA DE FONDO, (TIROLESA 0
DISEÑO HIDRÁULICO II I.
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INTRODUCCIÓN
El principio de este tipo de obra de toma radica en lograr la captación en la zona inferior de escurrimiento. Las condiciones naturales de flujo serán modificadas por medio de una cámara transversal de captación (ver Figura 1). Esta obra puede ser emplazada al mismo nivel de la solera a manera de un travesaño de fondo. Sobre la cámara de captación se emplazará una rejilla la misma que habilitará el ingreso de los caudales de captación y limitará el ingreso de sedimento. El material que logre ingresar a la cámara será posteriormente evacuado a través de una estructura de purga. La obra de toma en solera se denomina también azud de solera u obra de toma tipo Tirolesa y puede ser empleada en cursos de agua con fuerte pendiente y sedimento compuesto por material grueso. Figura 1: Toma Tirolesa vista de planta y corte
Este tipo de obra de toma ofrece como ventajas, la menor magnitud de las obras civiles y ofrece menor obstáculo al escurrimiento. Por otro lado, no juega un papel fundamental la ubicación de la obra, tal como sucede en las obras de toma con azud derivador. Página
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En el diseño de una toma tirolesa es necesario considerar los siguientes criterios:
Esta obra principalmente se adecua a ríos de montaña, donde las pendientes longitudinales son pronunciadas que pueden llegar al 10 % o a veces más.
Funcionan para cauces que traen avenidas de corta duración y que llevan gran cantidad de piedras.
En causes tienen pequeños contenidos de sedimentos finos y agua relativamente limpia en época de estiaje.
La rejilla es la parte más baja del coronamiento de la presa que cierra el rió, cualquiera que sea el caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Debido a esto la rejilla puede ubicarse a cualquier altura sobre el fondo de manera que la altura de la azud puede llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 a 50 cm. Esto permite que las piedras pasen fácilmente por encima del azud con lo cual se suprime la costosa compuerta de purga o esclusa de limpieza.
La crecida de diseño se recomienda a un periodo de retorno de 50 años, dependiendo de la importancia aguas abajo.
La hidráulica del sistema diferencia dos estados de flujo a saber:
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II. DISEÑO DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS 2.1 DISEÑO DE LA REJILLA DE FONDO ESQUEMA: REJILLA
P=2.88 m
3036 msnm
DATOS: Diámetro Representativo piedra = 0,4 m Peso especifico del material de fondo ( γs)= 2.5 (T/m3) Espesor de barrotes (t) = 0.95 cm Espaciamiento entre barrotes (s)= 5cm Inclinación de la rejilla con respecto a la horizontal (i)= 20% Caudal de Diseño (Qd) = 1.88 m3/s Factor de Obstrucción (f) = 15 % Ancho del Río= 18 m
ESQUEMA DE LA REJILLA
LARGO (L)
ANCHO (B)
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ANCHO (B)
Donde:
Tomamos una inclinación de 20% y 5 cm de apoyo a cada lado Nº PEDAZOS
LONG C/PEDAZO
4 5
1,5 1,2
PROYECCIÓN HORIZONTAL 1,47 1,18
L
L3/2
1,37 1,08
1,6035 1,1224
Dimensiones de la rejilla
L= 1,12 m
B= 3,00 m
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CARGA DE ENTRADA (Ho)
√
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Nos valemos del cuadro de (KROCHIN) para escoger el valor de (e) L 1,37 1,08 0,88
L+0,05 1,42 1,13 0,93
W nec 1,54 1,22 1,01
t (cm) 0,95 0,95 0,95
e(cm) 3,18 3,18 2,54
W pletina 1,60 1,60 1,02
El valor de c depende de la inclinación de la rejilla con la horizontal y está dado por C= Co -0,325 i Co= 0,6 para e/s >4 Co= 0,5 para e/s <4 Entonces: C= 0,5-0,325(0,2) C= 0,435
Finalmente tendremos el valor de Ho
) ( ()
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0,04
2 , 1
3,1
Total de barrotes: Tomando una separación de 0.04 m y un ancho de los barrotes de 0.0095 m, el número de barrotes será:
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2.2 DISEÑO DEL AZUD
ESQUEMA Perfil Tipo Creager
2,88 m
Datos de nuestra obra: Q cr=28 m3/s Q d= 1.88 m3/s L= 18 m C= 2,21 P= 2,88 m RESOLUCIÓN: Ecuación de descarga para el perfil seleccionado:
Dónde: Q= el caudal de crecida C= coeficiente de descarga variable Ho= carga sobre el vertedero. Página
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( ) () Según Bazin tenemos que d = 0.69 Ho, donde d es la altura de agua sobre la cresta del vertedero.
Donde Vh es la velocidad horizontal del agua sobre la cresta.
La velocidad vertical producida por la acción de la gravedad, está dada por la expresión:
Siendo y la distancia vertical de recorrido.
También se sabe que:
Se obtiene la ecuación de la trayectoria como
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Y reemplazando
Se tiene que
Bradley comprobó que:
Que corresponde con la ecuación de la parte inferior de la lámina libre de agua. Más tarde se comprobó que K y n no son constantes, sino funciones de la velocidad de aproximación y de la inclinación del paramento aguas arriba. Para una primera aproximación, se puede calcular el perfil del azud basándose en tablas como la calculada por Ofizeroff, la cual ha sido calculada para Ho=1.0 m., o sea que para un Ho diferente, las abscisas y ordenadas deben ser multiplicadas por Ho
PENDIENTE DEL PARAMENTO
K
n
2,000
1,850
3a1
1,936
1,836
3a2
1,939
1,810
3a3
1,873
1,776
VERTICAL(nuestro caso)
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Coordenadas de perfil Creager-Ofizeroff. Ho = 1.0 m.
Si Ho es diferente, el coeficiente C debe ser corregido (ver Tabla 3) Valores de corrección según Ofizeroff para paramento vertical
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Para nuestro caso no vamos a corregir el valor de C porque no varía mucho así es que multiplicaremos por el valor de
a los valores tabulados en la tabla 2. Valores para nuestro caso. x 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,7
LAMINA INFERIOR 0,19152 0,05472 0,01064 0 0,01064 0,09576 0,23256 0,40584 0,6232 0,89832 1,39232
AZUD 0,19152 0,05472 0,01064 0 0,00912 0,0912 0,22344 0,38912 0,59736 0,8588 1,32696
LAMINA SUPERIOR -1,26312 -1,22056 -1,17344 -1,1248 -1,06704 -0,9424 -0,77672 -0,5776 -0,33288 -0,0456 0,4636
PERFIL DEL PROYECTO abscisas
-1.5 -1 -0.5 0 s a d a n e d r o
0 0.5
0.5
1
1.5
2
LAMINA INFERIOR PERFIL AZUD LAMINA SUPERIOR
1 1.5 2
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2.3 MURO DE ALA
L a carga de agua sobre el azud es de 0,80 m pero por seguridad asumiremos 1 m y un 30 % más Ho = 1 +0,3*1= 1,30 m
ESQUEMA MURO DE ALA
3 , 1
AZUD
8 1 , 4 8 8 , 2
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2.4 DISEÑO DE LA GALERIA
ESQUEMA:
GALERIA P=2.88 m
L
2700 msnm
DATOS Q cr=28 m3/s Q d= 1.88 m3/s L= 1,12 m P= 2,88 m B= 3 m
Velocidad en el fondo de la galería
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Debemos evitar un resalto hidráulico al final de la galería para lo cual el flujo deberá ser subcritico. El calado es igual
V2/g*d=
0,351367781
< 1
FLUJO SUBCRITICO
Asumimos un coeficiente de rugosidad igual a n= 0,013 El cálculo se realiza usando tablas para lo cual dividimos el ancho B en 10 tramos de 0,30 m
METODO DE ZAMARIN x (m) Q(m3/s) 0,00 0,00 0,30 0,19 0,60 0,38 0,90 0,56 1,20 0,75 1,50 0,94 1,80 1,13 2,10 1,32 2,40 1,50 2,70 1,69 3,00 1,88
V(m/s) 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00
A(m2) 0,00 0,17 0,31 0,43 0,54 0,63 0,71 0,77 0,84 0,89 0,94
d (m) 0,00 0,15 0,28 0,39 0,48 0,56 0,63 0,69 0,75 0,80 0,84
P (m) 1,12 1,43 1,68 1,89 2,08 2,24 2,38 2,50 2,61 2,71 2,80
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R 0,00 0,12 0,19 0,23 0,26 0,28 0,30 0,31 0,32 0,33 0,34
x 0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 3,00
C 0,00 50,16 53,99 55,87 57,00 57,77 58,32 58,74 59,07 59,34 59,55
d+∑hf+V2/2g
0,051 0,215 0,355 0,476 0,583 0,678 0,765 0,844 0,918 0,987 1,052
R^(4/3) 0,00 0,06 0,11 0,14 0,16 0,18 0,20 0,21 0,22 0,23 0,23
J 0,00401 0,00265 0,00236 0,00233 0,00241 0,00254 0,00271 0,00290 0,00312 0,00336
hf 0,0000 0,0012 0,0008 0,0007 0,0007 0,0007 0,0008 0,0008 0,0009 0,0009 0,0010
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V2/2g 0,051 0,062 0,073 0,086 0,100 0,115 0,130 0,147 0,165 0,184 0,204
∑hf
0,0000 0,0012 0,0020 0,0027 0,0034 0,0041 0,0049 0,0057 0,0066 0,0075 0,0085
COTA 1,001 0,837 0,695 0,576 0,469 0,374 0,287 0,208 0,134 0.065 0
COTA SUPERIOR DE LA REJILLA Espesor de los barrotes= Inclinación de la Rejilla= Altura de seguridad=
3,18
cm
22,4 15
cm cm
40,58
cm
Altura total de la rejilla= 105,2+ 40,58 = 145,78 cm
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Dimensiones de la obra
2.5 CANAL QUE CONECTA A LA REJILLA Y EL DESARENADOR Para lo cual nos valdremos del programa H canales
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2.6 DISEÑO DEL DESARENADOR DATOS: Q d= 1.88 m3/s
El tamaño de las partículas de arena que deben depositarse es de 0,35 mm. El canal que llega al desarenador tiene una sección rectangular con un ancho b=1,0m, un calado y1= 0,89 m
Adoptamos una velocidad de agua en el desarenador igual a:
Entonces el la sección transversal del desarenador será:
Datos:
Calculamos las dimensiones del canal del desarenador que tendrá una sección trapezoidal. Datos:
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T2
Y2 m
b2
Reemplazando y simplificando tenemos:
Calculo de longitud del desarenador: Utilizamos la fórmula de Sokolov
Dónde: y2= calado del desarenador v= velocidad de diseño del desarenador w= velocidad de sedimentación que está en función del tamaño de las partículas (TABLA Nº 9 KROCHIN) Datos:
Calculo de la longitud de transición canal de entrada –desarenador
En la superficie:
Datos: T2= 4,34 m T1= 1,00 m
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Calculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero.
Ancho del vertedero de paso
Tomaremos un H= 0.25 m por las siguientes razones: M= Varía entre 1.8-2 tomamos el mayor 2 V= 1m/s máxima velocidad en el vertedero para no causar mucha turbulencia en el desarenador Datos:
Como el espejo de agua del desripiador (T2) es mucho menor que el ancho del vertedero se ubicará a lo largo de una curva circular al final de la cual estará la compuerta de lavado. Esquema: bv
DESARENADOR
VERTEDERP DE PASO
T2 R
L
Tenemos que:
Despejamos R de la primera ecuación, reemplazamos en la segunda y reducimos la expresión y tenemos:
Reemplazamos los valores y solucionamos por aproximaciones
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Entonces el radio R será:
La longitud de la proyección longitudinal del vertedero será
Finalmente la longitud total del desarenador será igual a:
Por facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dará una pendiente del 5%, está pendiente comienza al finalizar la transición. La caída del fondo será:
1.60 1,405 J= 5%
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2.7 DISEÑO DE LA COMPUERTA DE LIMPIEZA DEL DESARENADOR ESQUEMA
Área:
Perímetro mojado:
Radio Hidráulico:
Velocidad:
Pendiente:
2,72 %
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Comprobar si el caudal de diseño pasa por la compuerta
Partiendo de:
De tabla: a/H 0.00 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00
E 0.611 0.615 0.618 0.620 0.622 0.625 0.628 0.630 0.638 0.645 0.650 0.660 0.675 0.690 0.705 0.720 0.745 0.780 0.835 1.000
Interpolando tenemos que: e = 0.645
Descarga de la compuerta:
Coeficiente de compuerta libre: K = 0.96 (Asumimos)
Pasa el caudal requerido por que es superior al caudal de diseño
ESQUEMA GENERAL DE LA OBRA
Las dimensiones de cada una de las obras están en su respectivo cálculo Página
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RIO
MURO DE ALA
COTA = 3036msnm
AZUD
REJILLA Y GALERIA
RIO
DESARENADOR
VERTEDERO CIRCULAR
COMPUERTA DE LIMPIEZA
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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Cuando tenemos un caudal superior de 15 m 3/s se recomienda dividir el desarenador en dos o más cámaras.
EL Desarenador es una estructura hidráulica muy importante que disminuye la turbiedad del agua captada con esto disminuimos perjuicios de equipos y estructuras aguas abajo.
Para garantizar la sedimentación de las partículas de arena debemos tomar velocidades entre 0.1-0.4 m/s.
L a sección trapezoidal del desarenador es hidráulicamente más eficiente y más económica y facilita el lavado por que las partículas se acumulan al centro y fácilmente son arrastrados cuando se abre la compuerta de limpieza.
con el propósito de no causar molestias al usuario cuando se hace labores de limpieza es necesario construir un canal directo esto no permite la suspensión del servicio.
En el trazado del perfil del azud se eligió el tipo Creager por sus ventajas al no soportar presiones negativas sobre su perfil.
Para el diseño del azud y los muros laterales se debe tomar el caudal de crecida para evitar cualquier inconveniente cuando se produzcan crecidas.
Para el diseño del desripiador debemos procurar que la pendiente del fondo sea superior al 2 % para que se produzca el arrastre de los sólidos que pasan la rejilla.
Al igual la compuerta de purga del desripiador, sus dimensiones deben ser tal que descarguen en corto tiempo el caudal captado con esto aseguramos el buen funcionamiento del mismo.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.tecnaingenieros.com/ingenioacademico/images/pdf/capitulo%20VI.pdf
VEN TE CHOW, “Hidráulica de canales”
Ing. Salomón Jaya, “Anotaciones de clase”
SVIATOSLAV KROCHIN, “Diseño Hidráulico”
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