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Diseño de bocatoma
Descripción: practica
Se aporta un ejemplo para diseñar una bocatoma lateral para le sistema de abastecimiento de agua de una localidad con poblacion de diseño de 28 250 habitantes.Descripción completa
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI
DISEÑO HIDRAULICO DE UNA BOCATOMA I. CONSTRUCCION DE CURVA DE AFORO PARA CANAL DE CONDUCCIÓN AGUAS ABAJO DATOS HIDROLOGICOS Q max Q medio Q minimo
= = =
27.000 m³/s 1.800 m³/s 1.000 m³/s
CAUDAL DE DERIVACION Consideraciones Consideraciones Para Diseño. Este caudal depende de las áreas a irrigar, el proyecto que asimismo asimismo será descrito de la informacion basica: CULTIVO Maíz Algodón Pastos Maracuya Limón Mango
Q de derivado=
APORTES:
REA REA CULT CULTIV IVAD AD Módu Módulo lo de rieg riego o (ha) (Lts/seg/há) 400 1. 5 400 1. 5 400 0. 6 400 0. 6 400 0. 6 400 0. 6
Q nece necesa sari rio o (Lts/seg) 600 600 240 240 240 240
2.160 m m³³/s
Para el caudal máxima de diseño. Pérdidas por infiltración Quebradas Aguas subterraneas Precipitaciones Pluviales Total
Qmáx Qmáx = Qmáx = Qmáx =
15% 15% 10% 40%
65
Qmáx =
85% Qmáx av.
Qmáx av.
Qmáx av.
85% 85% Qmáx Qmáx av. av. + 65 % Qmáx Qmáx.. av. av. 150 % Qmax. Av. 40.5 m3/s
"Se debe evitar diseñar con cargas menores al 75% de las correspondientes al gasto maximo"
Qdiseño =
30.38
m3/s
CALCULO DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD RUGOSIDAD DEL CAUCE "n" Irrigacion 1
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
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Las características del cauce son: 1.Valor basico de arena para cauce arenoso 2.Grado de Irregularidad 3.Variación de la Sección transversal: 4.Obstrucciones Obstrucciones formado por arrastre de raíces 5. Vegetación:
0.014 0.005 0.005 0.010 0.005
Poco irregular Ocasionales Poca Poca
TOTAL
0.039
n=
0.039
CALCULO DE LA PENDIENTE "s" El calculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, esta pendiente está comprendida entre los tramos del kilometraje : 0 + 000 a 0 + 440
0.364 440.00 Ancho de plantila (B) = Talud (Z) = s =
15.33 1 0.00083
m
Nota: Se tiene un material a los costados del rio de tierra compacta
m/m
Q max =
27.000 m³/s
hallamos el valor de la cota del espejo de agua (en el canal de conducción de aguas arriba) del Hec - Ras Q 1 1.8 27
COTA OTA FOND ONDO
COTA TIRANTE NTE
Yn
4326.95 4326.95 4326.95
4327.24 4327.32 4328.23
0.30 0.38 1.28
COTA INCIAL 27.62 27.29 24.18
COTA FINAL 32.92 33.25 39.51
T 5.30 5.96 15.33
RESULTADOS DEL CALCULO HIDRAULICO DEL CANAL DE ENCAUZAMIENTO (AGUAS ARRIBA) - SECCION DEL RIO
=
18.23 T = 15.3 15.33 3 m. m. BL =Yn/3=
0.43 m.
Valor aprox. En el aforo 4328.23 m.s.n.m.
4326.95 m.s.n.m.
BL
0.50 m.
Yn
1.28 m.
z=1 B = 14.0 14.00 0 m. m.
Irrigacion 2
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Transicion que unira el canal dirigido al barraje con y el canal encauzamiento &
Qcaptación=
27.000 m³/s
t
T
Lt Longitud de transicion. Para & =
12.50 °. Lt = (T - t) * Ctg 12.5° / 2 Donde : T = t =
18.23 m. 14.00 m.
Remplazando : Lt
=
9.540
Lt =
10.00
Asumimos : m.
II. CALCULO DE CAPTACIÓN BL h b Remplazando estos valores, tenemos que: Asumimos un valor de b = 3.00 Q = 2.160 m³/s c= 1.84 b= 3.00
s= n=
0.001 0.014
m.
Qcap = C.L.(h)^3/2 h=
pendiente revestimiento de concreto
0.535 m
Propiedades adicionales.
Calculo de borde Libre . Irrigacion 3
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BL = h /3 =
0.178
m.
BL =
Usaremos :
0.178 m
Resultados: B.L. 0.18 m. h = 0.53 m. b = 3.00 m.
Calculo de la altura humbral de orificio ho = donde: Øm = b.l. =
3 Øm + b.l.
altura del umbral del orificio
Diámetro medio de los sedimentos mas gruesos Borde libre ≈ 0.20 m
condición:
0.2 m < ho < 1.0 m
Øm = b.l. =
0.30 m 0.20 m
=>
0.50 m
ho =
III. BARRAJE MIXTO (SE CALCULARA EL CAUDAL EN: CANAL DE LIMPIA Y EN ALIVIADERO) 1. Cotas y alturas del Barraje fijo: a. Calculo de la elevacion del barraje (Elev. B) Elev. B = CFC + Yn + hv + 0.20 donde:
CFC CFR Yn hv 0.20
Remplazando se tiene: CFC = CFC =
=Cota de fondo de la razante del canal de captacion =CFR + altura de sedimentos. =Cota del fondo de razante 0.50 Altura de sedimentos =Tirante Normal del canal (m) = 0.535 =Carga de velocidad de Canal = 0.178 =Perdidas por transicion, cambio de direccion, etc.
4326.95 + 0.50 4327.45 m.s.n.m.
4327.8 m.s.n.m.
Elev. B = 4328.36 m.s.n.m. Redondeamos y para dar un seguridad a:
Elev. B =
b. Calculo de altura de barraje: P = Elev. B
4328.36 m
m.s.n.m.
- CFR
Irrigacion 4
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Remplazando : P
=
1.413
m
1.41 m
m.
Por lo tanto :
P = Resumen:
4328.36 m.s.n.m.
B.L. 0.18 m. 4327.45 m.s.n.m.
Yn 0.53 m.
P= 1.41 m.
b = 3.00 m.
4326.95 m.s.n.m.
0.88 m.
2. Longitud del barraje fijo y del barraje movil a. Predimensionamiento:
4326.95 m.s.n.m.
a.1 Por relacion de areas El area hidraulica del canal desarenador tiene una relacione de 1/10 del area obstruida por el aliviadero, teniendose
A1 = A2 /10 A1
A2
Ld A2
A1 = Area del barraje movil
P
15.33 - Ld = Area del barraje fijo
A1 = P * Ld
A2 = P * (15.33-Ld)
Remplazando estos valores, tenemos que: P * Ld = P * (15.33-Ld) /10 L d = 1.39 Entonces:
15.33 - Ld = 13.94
Ld = 15.33 - Ld =
1.39 m 13.94 m
Lb. Movil Lb. Fijo
a.2 Longitud de compuerta del canal desarenador (Lcd) Lcd = Ld /2 = 0.70 m.
Irrigacion 5
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a.3 Predimensionamiento del espesor del Pilar (e)
0.17
e = Lcd /4 =
e = 0.20 m.
m.
Consideremos
b. Resumen: Dimensiones reales del canal de limpia y barraje fijo.
1.41 m.
0.20 m.
0.20 m. 0.20 m. 0.50 m. 0.50 m.
13.94 m. 15.33 m.
3. Calculo la Carga Hidraulica "H": H
hv he
hd h1= V1² / (2g)
P = 1.41 d2 d1
En este calculo se tendrá que considerar que las compuertas deben estar abiertas , para ello el caudal de diseño se compartira entre el barraje movil y fijo. "H" se calcula asumiendo un valor , calcular el coeficiente de descarga "c" y calcular el caudal para el barraje fijo y movil El caudal calculado debe ser igual al caudal de diseño.
Q diseño max. = Qaliviadero + Qcanal.limpia a. Descarga sobre la cresta (barraje fijo) = Qaliviadero (Qal) Irrigacion 6
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI Qal = 0.55 * C * L * H^3/2 L =
L1 - 2( N * Kp + Ka)*H = Qal = C = L = H = L1 = N = Kp = Ka =
Descarga del aliviadero coeficiente de descarga Longitud efectiva de la cresta Carga sobre la cresta incluyendo hv Longitud bruta de la cresta = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero = Coef. de contrac. de pilares (triangular) = Coeficiente de contraccion de estribos =
13.94 2.00 0.00 0.20
Se seguirá un proceso Iterativo asumiendo Para un H = 0.88 Calculo de "C" :
C = Co * K1 * K2 * K3 * K4
* P/H =
1.606
En la fig.3 tenemos que : Co = 3.95 * Efectos de carga diferentes a la del proyecto he = H he/H = 1.00
Debe ser menor que 1, consideramos 0.9
En la fig. 4 tenemos que. C/Co = K1 = 1.00 * Por ser talud vertical K2 = 1.00 * Por efectos del lavadero : hd = (hd + H) / H =
P
=
1.41 m.
2.61
En la fig 7 tenemos que . K3 = 1.00 * Por efectos de interferencia del agua de descarga : hd = H =
0.880
hd / he =
1.000
En la fig.8 tenemos: K4 = 1.00 Remplazando tenemos que.
C = 3.95 Remplazando en la formula de "L" tenemos que.
L= 13.58 Irrigacion 7
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Remplazando en la formula de "Q" (caudal sobre la cresta de barraje fijo) tenemos que.
Q al = 24.36
m³/s
b. Descarga en canal de limpia (Qcl) Se considera que cada compuerta funciona como vertedero Para ello seguieremos iterando, igual que anteriormente asumiendo un valor de h, para ello usaremos la siguiente formula: Q cl = C * L'' * hi^3/2 L =
L1 - 2( N * Kp + Ka)*H = L = H = L1 = N = Kp = Ka =
Longitud efectiva de la cresta Carga sobre la cresta incluyendo hv Longitud bruta del canal = Numero de pilares que atraviesa el aliviadero = Coef. de contrac. de pilares (triangular) = Coeficiente de contraccion de estribos =
0.88 m. 0.99 2.00 0.00 0.00
L = 0.99 m. Considerando compuerta como vertedero: P= 1.41 m. donde: hi = P + H = 2.29 m.
H = 0.88 m.
Calculo de "C" : C = 0.75 Trabajara como un orificio, solo se considera perdidas, por arrastre
C=
0.75
Remplazando en la formula de Q , tenemos que:
Q cl = 2.588
m³/s
c. Descarga máxima total "Qt" Qt = Q al + Q cl Sumando los dos caudales:
Qt
= 26.951
Este valor no cumple con el caudal de diseño, tendremos que asumir otro valor de "H" Siguiendo este proceso de iteracion con el tanteo de "H" resultan los valores que aparecen en el cuadro de la siguiente: En este cuadro iterar hasta que Qt=
27.000 m³/s
CUADRO PARA EL PROCESO ITERATIVO H Q al
0.5000 10.434
0.8800 24.363
Irrigacion 8
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI Q cl
1.972 12.406
Qt
Iterando obtenemos que
2.588 26.951
Q max Q medio Q minimo
= = =
27.000 m³/s 1.800 m³/s 1.000 m³/s
H 0.88 m. 0.00 m. 0.00 m.
Resumen:
2
1
0.88 m. 1.23 m. =hd 2.18 m. =h1 P= 1.41 m.
1.07 m. =d2 0.15 m.
=d1
Lp
Aplicando la Ecuacion de Bernoully entre los puntos 1 y 2: Tenemos: P+ H
= d1 + h1
...................... 1
h1 = V1² / ( 2 x g)
Qal = Lal =
14 m³/s 13.94 m.
V1 = Qal / (d1 x Lal ) Remplazando el valor de V1 en h1 y luego en la formula 1 Se tiene: P + H = d1 + [ ( Qal / (d1 x Lal ) )² / 2g ] la suguiente ecuación: 1.00 d1³ -
0
Tanteo debe cumplir = 0
0.20 0.00 0.00 -0.20
2.29 d1² + 0.05 =
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
d1 0.10 0.20
y= 0.03 -0.04
Irrigacion 9
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI . Y
0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.149
Series1
-0.40
Polinómica (Series1) -0.60 -0.80 -1.00
-0.131 -0.25 -0.40 -0.56 -0.73 -0.91 0.000820274
V1 = hV1 =
d1
6.542 m/s 2.18 m.
Calculo de tirante conjugado (d2) : N°F°=V1 / [ g * d1 ]^0.5 =
5.41
d2 / d1 = 0.5 * [ (1 + 8F²)^0.5 - 1] = d2 =
7.17
0.15 m. x
7.169 =
1.1 m.
Calculo de la longitud de la poza para el resalto (Lp) : Con el valor de F, se puede clasificar el tipo de resalto, el cual indica el uso de una poza con dimensiones del estanque tipo I. En la fig 11., con el valor de F, encontramos que: Lp = 5.850 Tp Tp = % * d2 El porcentaje de aumento para este tipo de pozas es de el orden del 10% Tp = 1.10 x d2 = Lp = 6.87 m. Según Linquist : Lp = 5 * (d2 - d1) = 3.34
IV. Diseño del Perfil Creager usando la formula de Scimemi: y / Ho = - k ( x / Ho) Ho = V= hv =
n
0.88 m. De la Fig. 1, obtenemos: 0.43 m/s K = 0.515 0.01 m. n = 1.86
( Pag 06 bocatomas parte 1)
Irrigacion 10
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI hv / Ho =
0.0105
Ho = 0.88 m.
4.29
4328.36 m
Xc
0
X
1 2
R1
3 R2
4 5 6 7 8 9 10 11
4326.95 m. 12 13 14
Y y=-1.37*0.515(x/1.37)1.86 Derivando la ecuacion de Creager en : dy/dx Punto de tangencia= De la Fig. (1a) obtenemos:
Pto. X (m) Y (m) 1 0.000 0.000 2 0.300 -0.061 3 0.600 -0.222 4 0.900 -0.473 5 1.200 -0.807 6 1.500 -1.222 7 1.800 -1.715 8 2.100 -2.285 9 2.400 -2.929 10 2.700 -3.647 11 2.900 -4.165 12 3.300 -5.296 13 3.600 -6.227 14 3.925 -7.313 Empalme del Cimacio con el colchón de amortiguamiento: R = 0.5 *(P + Ho) R = 1.15 m.
Xc / Ho = 0.270 Xc = 0.24 m. Yc / Ho = 0.115 Yc = 0.10 m. R1 / Ho = 0.517 R1 = 0.45 m. R2 / Ho = 0.220 R2 = 0.19 m.
Adoptamos R = 1.15 m.
V. Diseño de muros de contensión. 0.25 (P+H) H
Irrigacion 11
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI H 1 2.87 m. P
d2 + H = 1.95 m.
4.29 m. 5.00 m.
14.29 m.
5.00 m.
24.29 m.
b. Diseño Hidraulicos Complementarios. b. 1 Calculo de la estructura de proteccion delantera a base de material rocoso Longitud minima = 5 * H = 4.40 m. Consideramos L = 5.00 m. Asumiremos una protecion de un espesor de :
0.50 m.
b. 2 Calculo de la estructura de proteccion al final del colchon amortiguador (enrocado). Espesor e' = 0.6 * ( q ^ 0.5) * ( H' / g)^0.25 Donde
H' = P + Ho = 2.29 m. q = Qal / b = 0.97 m.
Remplaando : e' = 0.41 m. Por criterio:
e' = 1.00 m. b. .3 calculo de la longuitud del enrrocado (Le) Le = L" - Lp = 0.642 * c * (H' * q)^0.5 - Lp Remplazando : Le = #¡REF! Asumimos :
Le = 5.00
Calculo de caudal "Qo" en canal de captacion cuando ocurre Qmax. 1
2
h 1.41 m. Qo 0.53 m.
Irrigacion 12
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL - UNI
s% 0.88 m.
Para el Q max. :
27.00 m³/s
En la sección 1-1 : Qo = 0.6 * A * [ (2*g*h)^ 0.5 ]
A= 1.60 m² Qo = 4.27 * h^0.5
En la sección 2-2: Qo = A * (R^ 2/3 ) * (S^0.5) / n
A = (1.41 -h )*b b = 3.00 m.
Igualando el caudal en las dos formulas tenemos que iterar en el siguiente cuadro: hasta que y=0 : 2.00 1.00 0.00 0.000 m.0.200 m.0.400 m.0.600 m.0.800 m.1.000 m.1.200 m.1.400 m. -1.00 y
-2.00 -3.00
h 0.500 m. 0.550 m. 0.634 m. 0.900 m. 1.100 m. 1.300 m.
y 1.24 0.76 0.00 -2.20 -3.60 -4.69
-4.00 -5.00
h
En conclusión el caudal que pasara por el canal de captacion en épocas de maximas avenidas es: Qo = 4.27 * h^0.5 =
3.40 m³/s
Ahora el caudal que conduce el canal de captacion es de: 2.160 m³/s Entonces para max. avenidas se tendra que derivar la diferencia que es de: Caso contrario se regularán las compuertas Para esta derivacion construiremos un aliviadero lateral para la derivacion de las aguas, para ello usaremos la formula que establecio Frocheiner y es: