PASOS DEL DISEÑO DE LA BOCATOMA
PASO 01: CONSIDERACIONES DE LA LONGITUD DEL
BARRAJE “B”
Se debe procurar que la longitud del barraje conserve las mismas condiciones
naturales del cauce, con el objeto de no causar modificaciones en su régimen.
Así una longitud más angosta puede ocasionar una carga de agua alta e
inundar las márgenes, en cambio una longitud de barraje más amplia pueda
ocasionar azolves aguas arriba originando pequeños causes que dificultan la
captación en la toma.
PASO 02: CALCULO DE LA ELEVACION DEL BARRAJE
Según el Ing. TSUGUO NOSAKI, una vez establecido un apropiado tirante "y"
de agua en el canal de conducción, se ubicará el vertedero del barraje a una
elevación sobre el fondo del rio igual a:
3y
Cuando el caudal sea muy pequeño Q < 1.0 m3/seg
2.5y
Cuando el caudal sea igual a Q = 1.0 m3/seg
2.0y
Cuando el caudal sea mayor a Q > 10.0 m3/seg
En nuestro caso el caudal de ingreso o entrada es de 0.7 m3/seg., lo cual nos
da un tirante de y =0.42 m
Por ser el Q<1m3/seg el barraje tendrá una elevación de 3y resultando:
PASO 03: CALCULO DE LA CARGA TOTAL DE AGUA
Según el Ing° SVIATOSLAV KROCHIN, la formula general del vertedero se
expresa como:
Q  M .b.H
3
2
Donde:
M: Coeficiente que depende de la forma de la cresta del vertedero y/o barraje
donde este valor será = 2.21, debido a que la descarga es libre.
b : Ancho del vertedero en nuestro caso será igual a ......m
Q: Caudal de maxima avenida presentada en un periodo de retorno de 2 a mas
años
Igual a ..........m3/seg.
H: Carga total de agua sobre la coronación del azud.
A. Cálculo de la altura de carga H:
Donde:
u : Coeficiente del vertedero según la forma de la cresta(para el caso del
perfil creager u=0.75)
b : Ancho del vertedero.
Q : Caudal de máxima avenida presentada en un periodo de retorno de
100 años
igual a ..........m3/seg.
H : Carga total de agua sobre la coronación del azud.
V : Velocidad de acercamiento del quebrada.
g : Gravedad (9.8m/seg2.)
B. Cálculo de la velocidad del agua sobre el azud:
Donde:
V: velocidad sobre la cresta m/seg
A: Área de agua sobre la cresta (H*b) m2
Q= Caudal de máxima avenida m3/Seg
C. Cálculo de la carga energética he:
Donde:
he: carga neta sobre la cresta
h: altura de la carga de agua sobre la cresta
g: gravedad (9.8 m/seg2)
v: velocidad sobre la cresta m/seg
PASO 04: COTA DE CORONACION DE CLIMACIO
En máxima avenida la carga de agua H sobre la coronación del barraje de
derivación es 1.05 m. considerando un borde libre de 0.15+He = 0.15+1.05 =
1.20 m, los muros de encausamiento por condición de señal en las taludes del
cauce de la quebrada se considerarán de 0.50 m superior a la cota del
cimacio (Paramento superior del perfil Greager) de 2850.20msnm.
A. Altura del Barraje
Donde:
Co: Cota del lecho del río, dato topográfico (msnm)
P: Altura del barraje TSUGUO NOSAKI
Cc: Cota en la cima del barraje (msnm)
Donde:
ho: Altura del umbral del vertedero de captacion. Se recomienda que sea
mayor de 0.60 m.
h: Altura de la ventana de captacion, asumiendo que trabaja como
vertedero
Cc: Nivel de la cresta del barraje
L: Longitud de la ventana de captación preliminar
C: coeficiente de vertedero. En este caso es 1.84
B. Tirantes en el Barraje y Colchón de Disipación
a. Cálculo del tirante al pie del Barraje
Donde:
Co: Cota de la cresta del vertedero
C1: Cota del colchon disipador
h: Tirante sobre la cresta
d1: Tirante al pie del talud
Vo: Velocidad en la cresta del barraje
V1: Velocidad al pie del talud
Pc: Perdida de carga
b. Cálculo del tirante conjugado
c. Cálculo del tirante normal
Dado que (Cn - C1), debe ser aproximadamente de 0.50 a 1.00
metro, se tantea el nivel del piso de la poza de tranquilizarían hasta
que se cumpla la ecuación.
Diseño del resalto o colchón disipador
Donde:
d1: Espesor de la lamina vertiente al pie del azud (m).
d2: Espesor de la lamina aguas abajo (m).
Q: Caudal de agua sobre el Azud, por metro lineal = m3/seg/m.
Donde:
Ht: Diferencia de altura desde el nivel de agua encima de la cresta al
fondo del colchon disipador; aproximado para el tanteo.
V1: Velocidad de caída (m/seg)
g:Gravedad (9.8 m/seg)
PASO 05: SOLADO O COLCHÓN DISIPADOR
La necesidad de una poza de disipación y la forma de resalto está íntimamente
relacionada al numero de Froude que se expresa:
A.
Cálculo de la longitud del colchón
disipador
(Schoklitsch)
(Safranez)
(U.S. Bureau of Reclamation)
B.
Control de la infiltración
Donde:
Lw: Longitud del camino de percolación
h: Diferencia de carga hidrostatica entre la cresta del barraje y la uña
terminal de la poza de disipación.
c: Coeficiente de Lane.
C. Espesor del solado
Donde:
e: Espesor en metros
h: Diferencia de altura desde el inicio de la percolación
SGs o B: Peso específico del solado Ton/m3.
Donde:
h: Carga hidrostática en m
B: Peso específico del material del solado
ɸ: Peso específico del agua
hf = h.(Sp/St)
Donde:
Sp: Camino de percolación parcial
St: Camino de percolación total
D. Enrocado de protección o Escollera
Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado
con el fin de reducir la erosión y contrarrestar el arrastre del material fino
por acción de la filtración.
Donde:
Lt : Longitud total escollera
C : coeficiente de Bligh.
Db : Altura comprendida entre la cota de la cresta del barraje
q : Caudal por metro lineal de vertedero.
Lc : Longitud del colchón
Coeficiente de Bligh.
material del lecho del
cauce
Arena fina y limo
Arena fina
Arena gruesa
Grava y arena
Bolones y arena
Arcilla
Coef. Bligh
18
15
12
9
4-6
6-7
PASO 06: DISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA
Su trazo generalmente es perpendicular al eje del barraje pero puede tener un
ángulo entre 12º a 45º y el fluyo de la quebrada puede fomar ángulos entre 60º
y 90º con el eje de captación. Un bocal esviajado facilita el ingreso de agua en
el bocal de toma paro aumenta la sedimentación frente a la misma; Para
separar el canal de limpia del barraje fijo se construye un muro guía que
permite encauzar mejor las aguas hacia el canal de limpia.
A. Velocidad de arrastre
Donde:
Vc: Velocidad requerida para iniciar el arrastre
C : Coeficiente que es función del tipo de material
-Arena grava redondeada: 3.2
-Grava rectangular
: 3.9
-Arena y grava
: 3.5 a 4.5
D : Diámetro del grano mayor
Vs : Velocidad de arrastre
B. Ancho del canal de Limpia
Donde:
B : Ancho del canal de limpia en metros
Q : Caudal que discurre en el canal de Limpia en m3/seg.
q : Caudal por unidad de ancho m3/seg./m
Vc: Velocidad de arrastre en m/seg.
g : Aceleración de la gravedad en m/seg.2
C. Pendiente del canal de Limpia
Donde:
So: Pendiente del canal de Limpia
n: Coeficiente de rugosidad de Manning.
g: Aceleración de la gravedad en m/seg.2
q: Descarga por unidad de ancho en m/seg./ml.
PASO 07: TOMA O CAPTACIÓN
La mayor parte de las tomas se han hecho en ángulo recto con el barraje pero
el boca¡ con el río puede quedar con un ángulo entre 20' y 30'.
La capacidad de la toma se determina de acuerdo a las demandas de la cédula
de cultivos en el caso de un proyecto agrícola, o de acuerdo a las capacidades
de la central hidroeléctrica o del proyecto de abastecimiento de agua potable
considerando adicionalmente las pérdidas necesarias para eliminar los
sedimentos que pudieran ingresar. La velocidad de entrada del agua por los
vanos del bocal de captación debe quedar comprendida entre 0.80 y 1.20
m/seg.
El bocal de toma se ubica por lo general aguas arriba del barraje vertedero,
procurando que el ingreso de sedimentos sea el mínimo. La toma
generalmente es de forma abocinada, en la parte anterior se instalan los
orificios de captación separados por muros, y los flujos de cada compuerta se
amortiguan en una poza de tranquilización que termina en el punto inicial del
canal de derivación. Con el fin de proteger la toma se levanta una pantalla
frontal donde se abren las ventanas de captación, puede adicionarse en la
parte anterior un canal de fuerte pendiente para eliminar gravas, llamado canal
desgravador (Diseño Peruano).
Los caudales de captación se calculan como vertederos:
Q = c . L . h 3/2
En el caso de que trabajen como orificios, el caudal viene dado por la fórmula:
Q = c.A.(2gh) 1/2
La longitud de las ventanas por lo general varía de 2.0 a 4.0 m dependiendo de
las dimensiones de la compuerta standard.
A. Diseño de Ventana de Captación
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana
de captación debido a que se encuentra a una altura de 0.60 m. del piso
del canal de limpia como mínimo.
Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar y de las
condiciones económicas más aconsejables.
Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las
siguientes recomendaciones:
Q : caudal a derivar más caudal necesario para operación del sistema de
purga.
c : coeficiente de vertedero, en este caso 1.84
L : longitud de ventana que por lo general se asume entre 3 a 4 m
Q=c* L * h3
Donde:
Q: Caudal a captar
C: Coeficiente de descarga
L: Longitud de la ventana
h: Altura de la ventana de captación
hcorregida: Altura de la ventana de captación corregida
B. Rejillas (Trash Racks)
Su objetivo básico es impedir que los materiales de arrastre y
suspensión ingresen al canal de derivación, los cuales causan
obstrucción y desbordes aguas abajo de la captación.
Las rejillas platinas unidas mediante soldadura a formando paneles. La
separación entre rejillas se recomienda tomarla de eje a eje; y
dependiendo del tipo de material que se quiere impedir su ingreso la
separación variará entre 1 " y 4" (material fino) y de 4" a 8" (material
grueso), recomendándose que las rejillas de menor separación en la
parte superior.
La colocación de la rejilla puede ser vertical o con una pequeña
inclinación de 1:1/4 para facilitar su limpieza. Esta limpieza se
recomienda que se haga mediante acción mecánica ya que cuando es
manual en épocas de avenidas es casi imposible ejecutar con la
frecuencia debida.
La principal objeción de colocar rejillas es que causa pérdidas, las
cuales deben ser consideradas durante el dimensionamiento de la altura
del vertedero y en el cálculo del tirante en el canal de derivación.
La pérdida de carga que ocasiona una rejilla se puede calcular por la
fórmula:
Donde:
he: Pérdida de carga, en pulgadas
T: Espesor de la platina (rejilla), en pulgadas
V: Velocidad de ingreso a través de la rejilla, en pies/seg (Se recomienda
v=1m/s=3.28pies/seg)
A: Ángulo de rejilla con la horizontal
B: Ángulo de aproximación
D: Separación entre ejes de cada platina, en pulgadas
C. Ancho de la Ventana de Captación
El ancho propuesto para la ventana de captación (Ln) es corregido por
el coseno del ángulo de desviación de la frontal (teta) por el número de
rejillas de las ventanas.
a. Número de Rejillas
Donde:
NR: Número de rejillas
Ln: Ancho total de las ventanas
D: Espaciamiento entre rejillas
b. Corrección del Ancho de Ventanas
o Si el ángulo de desviación frontal es de 0°
b = Ln
o Si el ángulo de desviación frontal es diferente de 0°
Donde:
ø = 90 – B
L = Ancho corregido de ventanas (m)
B = Ángulo de desviación frontal
T = Ancho o diámetro de rejillas (m)
NR= Número de rejillas
c. Ventana de Captación
Las ventanas de captación son las entradas de agua de la toma que
en ciertos casos están instaladas en un paramento de concreto
totalmente protegido, detrás del vertedero de toma u orificio se
colocan los mecanismos de cierre de emergencia y luego las
compuertas de control. Los mecanismos de izaje deben ser ubicados
en una elevación superior a las máximas avenidas.
Donde:
Q: Caudal a derivar más caudal necesario para operación del
sistema de purga.
C: Coeficiente de Vertedero, en este caso 1.84
L: Longitud de ventana
h: Altura de la ventana de captación
ho: Altura para evitar material de arrastre se recomienda 0.60m
mínimo o ho>H/3
PASO 08: DISEÑO DEL ALIVIADERO LATERAL
El aliviadero es un regulador adicional que tiene por objeto eliminar el
excedente de agua, debido al aumento de caudal producidos por una tormenta.
Protegiendo de esta manera al canal y obras adyacentes. Para calcular el
caudal a Eliminar se tiene:
Donde:
Qe : Caudal por eliminar
2/3 u: Según la forma del vertedero: 0.49 a 0.57
b
: Longitud del Vertedero
hu : Carga del Vertedero
A. Caudal de Excedentes
Qe = Q1 - Q2
B. Carga del Vertedero
hu = Y1 - Y2
C. Cálculo de la Longitud b del Aliviadero para la Máxima Avenida
D. Verificación de la Longitud del Vertedero
PASO 09: DISEÑO DEL MURO DE ENCAUZAMIENTO
A. Datos para el diseño
H : Altura
s : Resistencia del terreno
f : Coeficiente de Fricción entresuelo y concreto
Fy : Resistencia a la Fluencia del acero
F'c : Resistencia a la Compresión del Concreto
gt : Peso Específico del Terreno
g : Peso Específico del Agua
gc : Peso Específico del Concreto
FSD : Factor de Seguridad de Deslizamiento
FSV : Factor de Seguridad de Volteo
B. Predimensionamiento
a. Espesor Efectivo de la Pantalla
Considerando el más crítico, cuando actúa el agua en máxima
creciente y no ejerce presión el terreno sobre el muro de
encauzamiento
b. Ancho de la Zapata
Considerando como un Muro de Contención en Voladizo debe
cumplir las siguientes relaciones
c. Altura de la Zapata
C. Análisis de Estabilidad al Deslizamiento y Volteo
(FSD>1.40)
(FSV>1.50)
D. Presiones Admisibles Sobre el Terreno
a. Ubicación de la Resultante con respecto al punto O
b. Cálculo de la Excentricidad
c. Verificación si cae dentro del Tercio Central
E. Verificación por Corte
F. Diseño de la Zapata
Diseño del acero: