Diseño Hidraulico Bocatoma El Vado

ELABORACIÓN DE EXPEDIENTE TÉCNICO COMPONENTE BOCATOMA EL VADO Y DESARENADOR. PROYECTO: “MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA SUBCUENCA DEL RÍO ARMA, CONDESUYOS‐AREQUIPA”

DISEÑO HIDRAULIC ICO O BOC ATOMA VA VADO DO COMPONENTE BOCATOMA VADO PROYE YEC C TO: “MEJ “MEJO ORAMIENTO Y AMP AMPL LIA IAC C IÓ IÓN N DE LA FRONTERA AG AGR RÍC ÍCO OLA OPTIMI IMIZ ZANDO LOS REC ECUR URSOS HÍDR HÍDRIC ICO OS DE LA SUB SUBC UE UENC NCA A DEL RÍO ARMA MA,, C ONDE NDES SUYO YOS S-AREQUIP IPA A”

AGOSTO-2017

ELABORACIÓN DE EXPEDIENTE TÉCNICO: COMPONENTE BOCATOMA EL VADO Y DESARENADOR PROYECTO: “MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA SUBCUENCA DEL RÍO ARMA, CONDESUYOS‐AREQUIPA” ÍNDICE

1. 1.1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3.

4.4.

4.5. 4.6.

4.7. 4.8.

ANTECEDENTES ..................................................... .............................................. ................................ 9 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... 9 UBICACIÓN ........................................................................................................................................ 10 VÍAS DE ACCESO ............................................................................................................................... 10 DISEÑO GEOMÉTRICO E HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA EL VADO ........................................... 12 EMPLAZAMIENTO................................................................................................................................................................12 TOPOGRAFÍA DEL EMPLAZAMIENTO.......................................................................................................................... 15 GEOLOGÍA ..............................................................................................................................................................................15 15 4.3.1. FORMACIÓN ALPABAMBA (NM-AL) .........................................................................................................16 4.3.2. DEPOSITOS ALUVIALES HOLOCENOS (QH-AL) ( QH-AL).....................................................................................16 4.3.3. DEPOSITOS ALUVIALES FLUVIALES (QF-AL) ........................................................................................... ...........................................................................................16 GEOFISICA ..............................................................................................................................................................................16 16 4.4.1. RESULTADOS DEL ESTUDIO GEOELECTRICO GEOTECNICO. ........................................................... ...........................................................18 4.4.2. SECCIÓN GEOELÉCTRICA GEOTECNICA A1-A2, TRANSVERSAL AL RIO ARMA, FIG. 11. ......19 4.4.2.1. HORIZONTE (H1) ............................................................................................................................................... 19 4.4.2.2. HORIZONTE (H2) ............................................................................................................................................... 19 4.4.2.3. HORIZONTE (H3) ............................................................................................................................................... 20 4.4.2.4. HORIZONTE (H4) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3. SECCIÓN GEO ELÉCTRICA GEOTECNIA B1-B2, LONGITUDINAL MARGEN IZQUIERDA RÍO ARMA, FIG. Nº12. ......................................................................................................................................20 4.4.3.1. HORIZONTE (H1) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3.2. HORIZONTE (H3) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3.3. HORIZONTE (H4) ............................................................................................................................................... 21 GEOMORFOLOGÍA ..............................................................................................................................................................21 21 GEOTECNIA EN LA BOCATOMA .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................21 4.6.1. UBICACIÓN DE PUNTOS DE EXPLORACIÓN (CALICATAS) .............................................................. ..............................................................21 21 4.6.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PUNTOS DE EXPLORACIÓN ............................................................................22 22 4.6.2.1. CALICATA (C-01)-“BOCATOMA” ................................................................................................................. 22 4.6.2.2. CALICATA (C-02)-“BOCATOMA” ................................................................................................................. 22 4.6.2.3. CALICATA (C-03)-“DESARENADOR” .......................................................................................................... 22 4.6.2.4. CALICATA (C-04)- “BOCATOMA” ................................................................................................................22 4.6.2.5. CALICATA (C-05) ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ 23 4.6.2.6. CALICATA (C-06): ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 23 4.6.3. CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE..................................................... ADMISIBLE........................................................................................................... ......................................................23 4.6.4. ENSAYOS EN LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS ................................................................ ................................................................25 25 HIDROLOGIA .........................................................................................................................................................................26 26 TIPO DE BOCATOMA.......................................................................................................................................................... 27

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Ing. Jorg e Hilario Quill a (Cel. 994604595) Email: jorgehilarioquil [email protected] [email protected]

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1. 1.1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3.

4.4.

4.5. 4.6.

4.7. 4.8.

ANTECEDENTES ..................................................... .............................................. ................................ 9 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... 9 UBICACIÓN ........................................................................................................................................ 10 VÍAS DE ACCESO ............................................................................................................................... 10 DISEÑO GEOMÉTRICO E HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA EL VADO ........................................... 12 EMPLAZAMIENTO................................................................................................................................................................12 TOPOGRAFÍA DEL EMPLAZAMIENTO.......................................................................................................................... 15 GEOLOGÍA ..............................................................................................................................................................................15 15 4.3.1. FORMACIÓN ALPABAMBA (NM-AL) .........................................................................................................16 4.3.2. DEPOSITOS ALUVIALES HOLOCENOS (QH-AL) ( QH-AL).....................................................................................16 4.3.3. DEPOSITOS ALUVIALES FLUVIALES (QF-AL) ........................................................................................... ...........................................................................................16 GEOFISICA ..............................................................................................................................................................................16 16 4.4.1. RESULTADOS DEL ESTUDIO GEOELECTRICO GEOTECNICO. ........................................................... ...........................................................18 4.4.2. SECCIÓN GEOELÉCTRICA GEOTECNICA A1-A2, TRANSVERSAL AL RIO ARMA, FIG. 11. ......19 4.4.2.1. HORIZONTE (H1) ............................................................................................................................................... 19 4.4.2.2. HORIZONTE (H2) ............................................................................................................................................... 19 4.4.2.3. HORIZONTE (H3) ............................................................................................................................................... 20 4.4.2.4. HORIZONTE (H4) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3. SECCIÓN GEO ELÉCTRICA GEOTECNIA B1-B2, LONGITUDINAL MARGEN IZQUIERDA RÍO ARMA, FIG. Nº12. ......................................................................................................................................20 4.4.3.1. HORIZONTE (H1) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3.2. HORIZONTE (H3) ............................................................................................................................................... 20 4.4.3.3. HORIZONTE (H4) ............................................................................................................................................... 21 GEOMORFOLOGÍA ..............................................................................................................................................................21 21 GEOTECNIA EN LA BOCATOMA .................................................................................................................................... ....................................................................................................................................21 4.6.1. UBICACIÓN DE PUNTOS DE EXPLORACIÓN (CALICATAS) .............................................................. ..............................................................21 21 4.6.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PUNTOS DE EXPLORACIÓN ............................................................................22 22 4.6.2.1. CALICATA (C-01)-“BOCATOMA” ................................................................................................................. 22 4.6.2.2. CALICATA (C-02)-“BOCATOMA” ................................................................................................................. 22 4.6.2.3. CALICATA (C-03)-“DESARENADOR” .......................................................................................................... 22 4.6.2.4. CALICATA (C-04)- “BOCATOMA” ................................................................................................................22 4.6.2.5. CALICATA (C-05) ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ 23 4.6.2.6. CALICATA (C-06): ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 23 4.6.3. CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE..................................................... ADMISIBLE........................................................................................................... ......................................................23 4.6.4. ENSAYOS EN LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS ................................................................ ................................................................25 25 HIDROLOGIA .........................................................................................................................................................................26 26 TIPO DE BOCATOMA.......................................................................................................................................................... 27

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5. MODELACIÓN HIDRÁULICA ............................................................................................................ 29 5.1. MODELO HIDRÁULICO DEL RÍO ARMA SIN PROYECTO......................................................................................29 5.1.1. RUGOSIDAD DEL CAUCE ................................................................................................................................ ................................................................................................................................29 I. RIACHUELO LIMPIO CERCA DE GOLEEN, COLORADO................................................................... ..................................................................30 30 5.1.2. FLUJO VARIADO EN RÉGIMEN PERMANENTE .......................................................................................32 5.1.2.1. ECUACIÓN DE ENERGÍA. ............................................................................................................................32 5.1.2.2. PONDERACIÓN DEL COEFICIENTE DE MANNING. ..........................................................................34 34 5.1.2.3. COEFICIENTE DE CORIOLIS.......................................................................... CORIOLIS........................................................................................................................ ..............................................35 5.1.2.4. PENDIENTE DE LA LÍNEA DE ENERGÍA..................................................................................................36 5.1.2.5. COEFICIENTE DE PÉRDIDAS POR CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN. ............................................ ............................................37 5.1.2.6. ECUACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO. ............................................................................. .............................................................................38 38 5.1.2.7. CONCEPTO DE ENERGÍA ESPECÍFICA Y REGÍMENES DE FLUJO.................................................. FLUJO..................................................40 40 5.1.2.8. FUERZA ESPECÍFICA. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 42 5.1.3. CONDICIONES DE FRONTERA. ....................................................................................................................43 5.1.4. DATA INGRESADA AL HEC-RAS PARA EL MODELO HIDRÁULICO DEL RÍO SIN PROYECTO............................................................................................................................................................44 5.1.5. SALIDA DEL PROGRAMA HEC-RAS DEL RÍO ARMA – CAUCE NATURAL SIN PROYECTO....45 5.1.6. DATA INGRESADA AL HEC-RAS PARA EL MODELO HIDRÁULICO DEL RÍO CON PROYECTO............................................................................................................................................................57 6. HIDRÁULICA DE LA CAPTACIÓN .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 64 6.1. CAUDAL DE DISEÑO...........................................................................................................................................................64 64 6.2. CÁLCULO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN.............................................................................................................65 6.2.1. PRE DIMENSIONAMIENTO DE LA VENTA DE CAPTACIÓN ..............................................................65 65 6.3. DISEÑO DEL BARRAJE - VERTEDERO ...........................................................................................................................66 6.3.1. DISEÑO DE SOLADO O COLCHÓN DISIPADOR .................................................................................... ....................................................................................72 72 6.4. DISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA ....................................................................................................................................75 6.4.1. CANAL DESPEDRADORA ................................................................................................................................ ................................................................................................................................75 6.4.2. CANAL DESGRAVADORA ............................................................................................................................... ...............................................................................................................................77 6.5. DISEÑO DEL SISTEMA DE DERIVACIÓN ..................................................................................................................... .....................................................................................................................79 6.5.1. ESTRUCTURA DE INGRESO............................................................................................................................79 6.5.1.1. ANGULO DE DERIVACIÓN ............................................................................................................................. .............................................................................................................................79 6.5.1.2. UMBRAL Y REJILLA INICIAL ........................................................................................................................... 79 6.5.1.3. REJILLA DE LIMPIEZA .......................................................................................................................................80 6.5.1.4. VENTANA DE CAPTACIÓN.............................................................................................................................81 6.5.1.4.1. CANAL DE ACCESO...........................................................................................................................................81 6.5.1.5. ESTRUCTURA DE PURGA (DESRRIPIADOR).............................................................................................81 6.5.1.5.1. CALCULO DEL ANCHO DE LA CÁMARA DESRRIPIADORA ............................................................... ...............................................................82 82 6.5.1.5.2. PRE DIMENSIONAMIENTO DIMENSIONAMIENTO COMPUERTA CANAL DE DESRRIPIADOR.........................................83 6.5.1.5.3. COMPROBACIÓN DEL CAUDAL EN EL PRIMER INSTANTE EN QUE LA COMPUERTA DESRRIPIADORA SE ABRE. ....................................................................................................... ............................................................................................................................. ......................84


6.6.

6.5.1.6. ESTRUCTURA DE REGULACIÓN ...................................................................................................................85 6.5.1.6.1. COMPUERTAS DE REGULACIÓN .................................................................................................................85 6.5.1.6.2. ALTURA DE COMPUERTAS DE REPRESAMIENTO.................................................................................87 6.5.1.7. CANAL DE CONDUCCIÓN .............................................................................................................................90 6.5.1.8. VERTEDERO DE DEMASÍAS............................................................................................................................92 SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE. ..........................................................................................................................95 6.6.1. CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE LA SOCAVACIÓN EN SUELOS HOMOGÉNEOS: ..........97


ÍNDICE DE TABLAS

Cuadro 1: Cuadro de accesos hacia los distritos. .................................................................................................................10 Cuadro 2: Cuadro de accesos hacia línea principal y Bocatoma el Vado. ..................................................................11 Cuadro 3: Cuadro de accesos hacia línea principal y Bocatoma el Vado. ..................................................................17 Cuadro 4: Cuadro Coordenadas Calicatas de exploración. ..............................................................................................22 Cuadro 5: Capacidad portante en el emplazamiento de la Bocatoma Calicata N°1. .............................................24 Cuadro 6: Capacidad portante en el emplazamiento de la Bocatoma Calicata N°2. .............................................24 Cuadro 7: Capacidad portante en el emplazamiento de la Bocatoma Calicata N°4. .............................................25 Cuadro 8: Cuadro Resumen Ensayos Laboratotio. .............................................................................................................. 25 Cuadro 9: Caudales máximos en el río Arma.........................................................................................................................26 Cuadro 10: Estimación del coeficiente de rugosidad de Manning para el río Arma en el sector de la bocatoma el Vado. ........................................................................................................................................................................... 30 Cuadro 11: Resumen de datos ingresados al HEC-RAS. ................................................................................................... 45 Cuadro 12: Cuadro Resultados Modelación hidráulica sin proyecto ...........................................................................46 Cuadro 13: Variación de la velocidad en el tramo modelado del Río Arma .............................................................53 Cuadro 14: Variación de la velocidad en el tramo modelado del Río Arma .............................................................53 Cuadro 15: Variación del ancho Río Arma en el tramo de estudio. ...........................................................................53 Cuadro 16: Cuadro Resultados Modelación hidráulica con proyecto .........................................................................59 Cuadro 17: Caudales de la reserva hídrica. .............................................................................................................................64 Cuadro 18: Caudal de descarga bajo una compuerta. .......................................................................................................86 Cuadro 19: Cuadro de parámetros hidráulicos de canal de conducción principal. ................................................88 Cuadro 20: Características Hidráulicas del Canal de Conducción .................................................................................91 Cuadro 21: Coeficiente de contracción en aliviaderos.......................................................................................................93 Cuadro 22: Coeficiente de contracción, m ..............................................................................................................................98 Cuadro 23: Valores de x para suelos cohesivos y no cohesivos.....................................................................................98 Cuadro 24: Valores de Coeficiente b .........................................................................................................................................99


ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema técnico de la infraestructura de riego mayor .................................................................................... 9 Figura 2. Vías de acceso a la zona de la Bocatoma el Vado ............................................................................................12 Figura 3. Vías de acceso a la zona de la Bocatoma el Vado ............................................................................................13 Figura 4. En la fotografía se puede observar taludes inestables de M-2. ..................................................................13 Figura 5. En la fotografía se puede observar taludes inestables de M-3. ..................................................................14 Figura 6. Ubicación del barraje final de la Bocatoma el Vado. .......................................................................................14 Figura 7.Ubicación barraje de la bocatoma el Vado ........................................................................................................... 14 Figura 8.Vista 3d del emplazamiento de la bocatoma el Vado ......................................................................................15 Figura 9. Pendiente del lecho del rio Arma en el emplazamiento de la Bocatoma ...............................................15 Figura 10. Mapa Geológico del Cuadrángulo de Cotahuasi, Hoja 31-Q, Fuente INGEMMET............................16 Figura 11 , Ubicación de Sondeos y secciones geofísicas ................................................................................................17 Figura 12 , Sección geoeléctrica A-1,A-2.................................................................................................................................18 Figura 13 , Sección geoeléctrica B-1, B-2 ................................................................................................................................19 Figura 14. Geomorfología zona de emplazamiento ...........................................................................................................21 Figura 15. Ubicación Calicatas de Exploración ......................................................................................................................23 Figura 16. Bocatoma Miflores en el Valle de Chilina .......................................................................................................... 27 Figura 17. Bocatoma en Santa Rita de Siguas .......................................................................................................................28 Figura 18. Bocatoma de Pitay ......................................................................................................................................................28 Figura 19. Río con coeficiente de Manning n=0.05 ........................................................................................................... 30 Figura 20. Secciones de río Colorado .......................................................................................................................................31 Figura 21. Río Arma Sección el vado .........................................................................................................................................31 Figura 22. Representación de los términos del balance de energía. Fuente: Adaptado de [HEC-RAS, 2010] ...................................................................................................................................................................................................... 32 Figura 23. División por defecto de las secciones en HEC-RAS .......................................................................................34 Figura 24. División por defecto de las secciones en HEC-RAS .......................................................................................34 Figura 25. Representación de una parte muy pequeña del área hidráulica. .............................................................35 Figura 26. Distribución del área hidráulica. ............................................................................................................................36 Figura 27. Fuerzas actuantes sobre el volumen de control..............................................................................................38 Figura 28. Curva de energía específica. ....................................................................................................................................41 Figura 29. Representación de los términos de la mínima energía específica. ..........................................................41 Figura 30. a) Curva de energía específica; b) Sección del canal; c) Curva de fuerza específica. ........................43

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Figura 31 Secciones exportadas al HEC-RAS ......................................................................................................................... 45 Figura 32. Perfil Longitudinal del Cauce mediante HEC-RAS - Cauce Natural sin proyecto ..............................47 Figura 33. Vista Tridimensional del Río Arma del tramo evaluado - Cauce Natural sin proyecto ...................47 Figura 34. Perfil de Velocidades y Número de Froude ...................................................................................................... 48 Figura 35. Sección 0+800 ..............................................................................................................................................................48 Figura 36. Sección 0+780 ..............................................................................................................................................................49 Figura 37. Sección 0+760 ..............................................................................................................................................................49 Figura 38. Sección 0+740 ..............................................................................................................................................................50 Figura 39. Sección 0+720 ..............................................................................................................................................................50 Figura 40. Sección 0+700 ..............................................................................................................................................................51 Figura 41. Sección 0+680 ..............................................................................................................................................................51 Figura 42. Sección 0+660 ..............................................................................................................................................................52 Figura 43. Sección 0+640 ..............................................................................................................................................................52 Figura 44. Mapa de Inundación Tr=25 años Q=28.20 m3/s............................................................................................54 Figura 45. Mapa de Inundación Tr=50 años Q=41.20 m3/s............................................................................................55 Figura 46. Mapa de Inundación Tr=50 años Q=41.20 m3/s............................................................................................56 Figura 47. Emplazamiento Bocatoma Vado de Ancho (b=35 m) ..................................................................................57 Figura 48. Geometría Ingresada al Hec-Ras con proyecto ...............................................................................................58 Figura 49. Vista Tridimensional del Río Arma del tramo evaluado - Cauce con proyecto Fuente: [Software HEC-RAS] .........................................................................................................................................................................58 Figura 50. Perfil longitudinal del tramo de estudio para la bocatoma Vado (con proyecto) Fuente: [Software HEC-RAS] .........................................................................................................................................................................59 Figura 51. Sección 0+000 ..............................................................................................................................................................60 Figura 52. Sección 0+005 ..............................................................................................................................................................60 Figura 53. Sección 0+010 ..............................................................................................................................................................61 Figura 54. Sección 0+014 ..............................................................................................................................................................61 Figura 55. Sección 0+020 ..............................................................................................................................................................62 Figura 56. Sección 0+030 ..............................................................................................................................................................62 Figura 57. Sección 0+040 ..............................................................................................................................................................63 Figura 58. Sección 0+050 ..............................................................................................................................................................63 Figura 59. Esquema de las ventanas de captación ..............................................................................................................66 Figura 60. Distribución en planta Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma) ......................................................67 Figura 61. Distribución del Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma)...................................................................67 Figura 62. Distribución en planta del Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma) .............................................68

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Figura 63. Cálculo del caudal que pasaría por la compuerta totalmente abierta ...................................................69 Figura 64. Geometría de la cresta del vertedero (Fuente: Ven Te Chow) ...................................................................70 Figura 65. Geometría curva aguas abajo barraje (Fuente elaboración propia) ........................................................71 Figura 66. Geometría final barraje fijo ......................................................................................................................................72 Figura 67. Geometría de la cresta del vertedero (Fuente: Mansen) ..............................................................................72 Figura 68. Grafico para determinar la longitud del resalto. .............................................................................................74 Figura 69. Grafico Poza disipadora ............................................................................................................................................75 Figura 70. Relación entre velocidad requerida para el arrastre y el tamaño del grano ......................................76 Figura 71. Estructura de derivación ...........................................................................................................................................79 Figura 72. Vista 3D Estructura de derivación .........................................................................................................................80 Figura 73. Flujo a través de rejillas .............................................................................................................................................80 Figura 74. Estructura de purga y limpieza............................................................................................................................... 81 Figura 75. Ancho de Desrripiador (purga y limpieza).........................................................................................................82 Figura 76. Canal de evacuación del desrripiador .................................................................................................................83 Figura 77. Flujo bajo Compuerta ................................................................................................................................................85 Figura 78. Coeficientes de descarga y de contracción para flujo bajo compuerta.................................................86 Figura 79. Planta estructura de derivación ............................................................................................................................. 87 Figura 80. Perfil estructura de derivación ................................................................................................................................87 Figura 81. Parámetros Hidráulicos del canal de conducción principal. .......................................................................88 Figura 82. Canal de conducción ..................................................................................................................................................91 Figura 83. Planta – aliviadero de demasías ........................................................................................................................... 94 Figura 84. Sección transversal corte 1-1 - aliviadero.........................................................................................................94 Figura 85. Sección transversal corte 2-2 - aliviadero.........................................................................................................95 Figura 86. Sección transversal corte 3-3 - aliviadero.........................................................................................................95 Figura 85. Esquema Socavación Cauce ................................................................................................................................... 97


1. ANTECEDENTES 1.1. INTRODUCCIÓN Siendo marzo del año 2017 en nuestro país, desde la región sur hasta el norte; los que vivimos en estas tierras, venimos viviendo y resistiendo los embates de la naturaleza. Lo dicho anteriormente ante situaciones de comportamiento bipolar tales como las sequias y las máximas avenidas (eventos extremos). Lo primero se evidencia por las sequias que se presentan y los segundo por los diversos huaycos e inundaciones. Lo dicho anteriormente requiere que las autoridades políticas deban pensar en proyectos orientados a resolver problemas de recursos hídricos y eventos extremos, el primero con miras a mejorar la disponibilidad hídrica en calidad y oportunidad para los agricultores, y el segundo para generar proyectos que protejan las infraestructuras de riego ante peligros de máximas avenidas. Por ello el Gobierno Regional de Arequipa mediante la Sub Gerencia de Formulación de Proyectos de Inversión reformula del proyecto según las recomendaciones de la DGIP y OPI Arequipa, siendo declarado viable a nivel de FACTIBILIDAD por la (OPI) del Gobierno regional de Arequipa el 27 de mayo del 2016. El proyecto denominado “MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA CUENCA DEL RIO ARMA, CONDESUYOS AREQUIPA”, con código SNIP Nº 149150. En Julio del 2016 el proyecto ha obtenido opinión favorable de la Dirección General de Infraestructura de Agraria y Riego DGIAR-MINAGRI. En merito a ello existe el “CONVENIO DE COOPERACIÓN INTERINSTITUCIONAL DE TRANSFERENCIA DE PARTIDAS PRESUPUESTRIAS DEL MINISTERIO DE AGRICULTURA Y RIEGO Y EL GOBIERNO REGIONAL DE AREQUIPA PARA EL COFINANCIAMIENTO DE LA ELABORACIÓN DEL EXPEDIENTE TÉCNICO DEL PROYECTO DE INVERSIÓN PÚBLICA SIGNADO CON CÓDIGO DGPP 2148430 MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA CUENCA DEL RIO ARMA, CONDESUYOS AREQUIPA”, con código SNIP Nº 149150”. El esquema técnico de la infraestructura mayor es el siguiente:

Figura 1. Esquema técnico de la infraestructura de riego mayor


Como puede observarse en el esquema anterior, una de las estructuras más importantes es la Bocatoma el Vado, la cual será la responsable de derivar el caudal de demanda para los distritos beneficiarios del proyecto. Debemos indicar que el presente documento detalla los cálculos hidráulicos y diseño de la Bocatoma el Vado. 2. UBICACIÓN La bocatoma estará emplazada en el sector el Vado, a una cota de 405770. msnm, el eje de la bocatoma tiene las siguientes coordenadas UTM. 

Estribo Derecho del río arma. (E 739474.169 m: N 8293408.710 m)



Estribo Izquierdo del río arma. (E 739490.022m: N 8293393.129 m)

Dichas coordenadas UTM referidas al Elipsoide de referen cia WGS 84 Zona 18 S. La ubicación se encuentra políticamente en: Departamento: Arequipa. Provincia: Condesuyos. Distrito: Salamanca. Sector: El Vado. 3. VÍAS DE ACCESO El acceso a la bocatoma y línea de conducción principal se realiza partiendo de la ciudad de Arequipa hasta llegar al km 890 de la Carretera Panamericana Sur (aproximadamente a 130 km. de Arequipa), se continua por un tramo de 82.50 km de carretera asfaltada hasta llegar a Corire, Aplao. Continuamos por el lugar denominado la Angostura y Pacaychacra un tramo asfaltado de 31.5 km hasta Chuquibamba.

Distancia (km)

Tipo de vía

Condición

Chuquibamba – Iray

15.0

Vía asfaltada

Buena

Chuquibamba – Yanaquihua

62.5

Trocha carrozable

Buena

Chuquibamba – Andaray

52.3

Trocha carrozable

Buena

Chuquibamba – Ispacas

74.5

Trocha carrozable

Buena

Chuquibamba – Charco

68.8

Trocha carrozable

Buena

Chuquibamba – Chichas

85.4

Trocha carrozable

Buena

Chuquibamba – Salamanca

84.2

Trocha carrozable

Buena

Destino distrital

Cuadro 1: Cuadro de accesos hacia los distritos.


Existen dos formas de tener acceso hacia la bocatoma el Vado, vía el Campamento Huasca o continuar por la carretera hacia Cotahuasi y acceder por el desvío antes del puente Arma.

Distancia (km)

Tipo de vía

Condición

22km

Trocha corrozable

Buena

Quebrada Rhata – Desvío hacia Chichas

7.5km

Trocha carrozable

Buena

Desvío hacia Chichas-Campamento Huasca (Línea de conducción Principal)

34km

Trocha carrozable

Buena

Campamento Huasca-Bocatoma el Vado

17km

Trocha carrozable

Mejorar

Desvío hacia Chichas-Desvio al Vado (antes del puente Arma carretera a Cotahuasi)

47km

Trocha carrozable

Buena

7km

Trocha carrozable

Mejorar

Destino distrital Chuquibamba – Quebrada Rhata

Desvío al Vado – Bocatoma el Vado

Cuadro 2: Cuadro de accesos hacia línea principal y Bocatoma el Vado.


Figura 2. Vías de acceso a la zona de la Bocatoma el Vado

4.

DISEÑO GEOMÉTRIC GEOMÉTRICO O E HIDRÁULI HIDRÁULICO CO DE LA BOCATOMA EL VADO

4.1. EMPLAZAMIENTO El lugar de emplazamiento de la bocatoma será de acuerdo a criterios topográficos, geomorfológicos y de riesgo a la que estará sometida la bocatoma, bocatoma, pero también teniendo en cuenta la cota necesaria de ingreso (carga hidráulica), las variaciones variaciones de pendiente, condiciones de flujo flujo aguas arriba y aguas abajo del cauce. De lo indicado en el párrafo anterior para definir en primera instancia el emplazamiento de la bocatoma se utilizara primeramente cuatro criterios: 

Características Geológicas.



Estabilidad de Taludes



Forma y características del cause



Análisis de riesgo

Conocida la cota e inicio aproximado de la línea de conducción y teniendo en cuenta que el sitio del emplazamiento del cauce es poco profundo y de baja pendiente, que este emplazada en un sitio de cauce definido con orillas firmes, donde se pueda observar poca erosión y que la forma del río en la ubicación de la toma sea preferiblemente recta.


Así también se ha tomado en cuenta el disminuir la entrada de los sedimentos es conveniente situar las obras de toma en la orilla cóncava de un río. Esta disposición, de acuerdo con investigaciones realizadas por los profesor alemán H. Bulle. Se ha evaluado los siguientes tres emplazamientos para la bocatoma el Vado:

M-2 M-3

Figura 3. Vías de acceso a la zona de la Bocatoma el Vado

Los emplazamientos E-2 y E-3, han sido descartados debido a que se encuentran en la desembocadura de dos quebradas. Y según el recorrido de campo realizado con los especialistas de Geología y Riesgos, dichas cuencas, y en especial la quebrada el emplazamiento E-2 son muy susceptibles a riesgos geológicos (entrada de huaycos). Lo antes mencionado fue imperativo para verificar ello, contratándose un servicio de aerofotogrametría, para poder, estudiar de mejor manera las cuencas mencionadas. En las siguientes figuras se pueden observar taludes inestables y como a lo largo de la historia geológica de dichas micro cuencas quedan vestigios del material aluvial que han traído los torrentes de dichas cuencas.

Figura 4. En la fotografía se puede observar taludes inestables de M-2.


Figura 5. En la fotografía se puede observar taludes inestables de M-3.

Finalmente se ha evaluado el emplazamiento E-1, dicho emplazamiento se ha ubicado luego de un ardua discusión entre los especialistas participantes del proyecto y el jefe de proyecto, ubicando u bicando un emplazamiento en una zona recta.

Figura 6. Ubicación del barraje final de la Bocatoma el Vado.

Figura 7.Ubicación barraje de la bocatoma el Vado


Figura 8.Vista 3d del emplazamiento de la bocatoma el Vado

4.2. TOPOGRAFÍA DEL EMPLAZAMIENTO La pendiente del terreno natural en el tramo de emplazamiento de la bocatoma es de aproximadamente de 0.72%. Así mismo, es importante indicar que se ha realizado un levantamiento topográfico hasta de 900m y 800m, aguas arriba y abajo respectivamente del emplazamiento final de la bocatoma. Lo dicho anteriormente para poder realizar el modelamiento hidráulico del río.

Figura 9. Pendiente del lecho del rio Arma en el emplazamiento de la Bocatoma

4.3. GEOLOGÍA Dentro del aspecto general de la geología local del área de circunscripción localizados en torno al Proyecto “Mejoramiento y Ampliación de la frontera Agrícola Optimizado los Recursos Hídricos de la Sub Cuenca del Río Arma, Condesuyos – Arequipa”, ver Figura 10: Mapa Geológico del Cuadrángulo de Cotahuasi, Hoja 31-Q, “Insitu” en las zonas de estudio, se observa geomorfologia de quebradas profundas, donde se emplaza los depósitos aluviales holocenos (Qh-al) en el presente ítem se describen las formaciones y grupo geológicos de la Formación Alpabamba (Nmal), presente en áreas directas e indirectas. La descripción se efectúa en base. a la información obtenida de las mapas regionales a escala 1:50,000 del Instituto Geológico Minero y Metalúrgico (INGEMMET), en seguida se describirá un detalle de la geología circundante al área de estudio.


4.3.1. FORMACIÓN ALPABAMBA (NM-AL) Esta estructura geológica del Terciario Mioceno del periodo Cenozoica, aflora en áreas directas y en áreas de influencias indirectas, litología conformada de tobas brechoides, riolíticas a dacíticas con niveles de areniscas tobáceas y conglomerados basales. 4.3.2. DEPOSITOS ALUVIALES HOLOCENOS (QH-AL) Los depósitos aluviales holocenos, se puede observar superficialmente aflora en ambos márgenes del río Arma, subyace a los depósitos fluviales depósitos recientes, en el eje del trazo de la bocatoma, litología conformada de gravas bolonerias y detritus sueltos y semi compactados. 4.3.3. DEPOSITOS ALUVIALES FLUVIALES (QF-AL) Los depósitos recientes caracterizados los materiales arrastrados recientemente por las aguas del río arma, como se puede observar en el cauce del río. Litología compuesta de bolones, bloques de rocas subagulosos, guijas y grava, ver panel fotográfico en el Figura 10.

Figura 10. Mapa Geológico del Cuadrángulo de Cotahuasi, Hoja 31-Q, Fuente INGEMMET

4.4. GEOFISICA Se efectuaron 04 sondeos electromagnéticas, mediante estaciones de Sondajes Geoeléctricos Verticales (SGV), con dispositivo tetra y multi electródico ejecutados distribuidos en el eje de la bocatoma El Vado, localizado en la sub cuenca del río Arma, cuatro (04) cortes indirectos, ver Figura 11 de Imagen Satelital, los sondeos o cortes indirectos se simétricamente transversal y longitudinal en el eje de la bocatoma El Vado proyectado, “Insitu” se ha trazado las lineas geoeléctricas de los sondeos, en campo se ha trazado las secciones o c ortes geoeléctricas geoestructurales, geotécnicas del subsuelo, orientados transversal y longitudinal al trazo demarcados con progresivas, las líneas geoeléctricas se ha emplazado de acuerdo a la accesibilidad, topografía, suelo y subsuelo, cubierto de depósitos aluviales holocenos y la formación geológica Alpabamaba, en la terraza y ladera de la


margen izquierda, los monitoreos de los geodatos en campo, se han registrado, desde la capa superficial con apertura de AB = 300 metros lineales, para investigar profundidades mayor igual a 50 metros, los registros y monitoreados en campo, se obtuvo con el equipo geofísico geoeléctrico digital modelo Terrametro 1000C con capacidad de investigación mayor de 200 metros de profundidad. En el área de prospecto se ha desarrollado sobre suelo y subsuelo compactada humedecidos, mediante los electrodos de energía inducidos de los laterales y recepcionados las ondas equipotenciales con receptor del equipo. Los geodatos de campo monitoreados en formatos establecidos se registra los parámetros de intensidad de corriente que a traviesa las diferentes capas y estratos del subsuelo, también se registra las diferencias o contrastes de ondas equipotenciales de cada capa o estrato correspondientes a las formaciones o depósitos geológicas distintos, depósitos sedimentarios antiguos y recientes, estratificados en capas u horizontes subyacentes, adyacentes, infrayacentes. Los geodatos de campo semi procesados se registran de cada sondeo sus coordenadas UTM sistema geodésico WGS 84 y altitudes en formatos de campo la misma que se describe en los Cuadro 3.

Figura 11 , Ubicación de Sondeos y secciones geofísicas Fuente: Geofísica Bocatoma Vado

N° CORDENADAS COTA SGV NORTE ESTE m.s.n.m.

LOCALIZACIÓN

01 02

8293376 739557 8293403 739507

4112 4079

Margen izquierda, ladera depósitos glaciares Margen izquierda, terraza depósitos aluviales holocenos

03 04

8293375 739421 8293439 739422

4073 4078

Margen izquierda, terraza depósitos aluviales holocenos, orilla río arma Margen derecha, terraza depósitos aluviales holocenos

Cuadro 3: Cuadro de accesos hacia línea principal y Bocatoma el Vado. Fuente: Geofísica Bocatoma Vado


4.4.1. RESULTADOS DEL ESTUDIO GEOELECTRICO GEOTECNICO. Luego de someter a una evaluación, análisis y procesamiento de los geodatos de campo se obtiene la interpretación de cada sondeo de las estaciones de Sondajes Geoeléctricos Verticales (SGV), alineados en perfiles o secciones geofísicas, los cuales muestran la secuencia de las capas, horizontes, discordancia, continuidad o discontinuidad de las capas estratificadas; además presenta las variaciones de espesores de extensión lateral y vertical, tipos de detritus, geoestructuras, caracterizados en las secciones geoeléctricas geotécnicas en los sectores de las comunidades evaluados propiedades transmisivas, permeabilidades y conductividades hidráulicas variables en cada zona, se describirá los resultados obtenidos en la sección geofísica geotécnica del subsuelo. Caracterizando las capas y horizontes, identificados los parámetros geotécnicos en las Secciones Geoeléctricas. Geotécnicas,

Figura 12 , Sección geoeléctrica A-1,A-2 Fuente: Geofísica Bocatoma Vado


Figura 13 , Sección geoeléctrica B-1, B-2 Fuente: Geofísica Bocatoma Vado

4.4.2. SECCIÓN GEOELÉCTRICA GEOTECNICA A1-A2, TRANSVERSAL AL RIO ARMA, FIG. 11. Sección geoeléctrica geotécnica, localizado en el área directa, en el Eje de la Bocatoma El Vado, márgenes izquierda y derecha del rio Arma, corte geoeléctrico de 139 metros lineales, perfil transversal al trazo del eje de la bocatoma, sección orientado de Noroeste a Sureste (NW-SE). Sección bidimensional (2D), obtenido con los SGV 04, 02 y 01, donde se identifica capas, estratos y horizontes geoeléctricos H1, H2, H3 y H4, caracterizados y estimados los parámetros geotécnicos de los depósitos aluviales y depósitos antropógenos del estribo, formaciones y grupos geológicos del cretácico superior, presentes en el subsuelo de extensiones laterales y verticales, definidos con propiedades georesistivas de las capas y horizontes, identificados se describirá y se sustentara: 4.4.2.1. HORIZONTE (H1) Depósitos fluviales recientes (Qfr-al) y depósitos aluviales holocenos (Qh-al), caracterizados como bolonerias guijas en matriz gravas, identificado con geovalores georesistivos de 830, 275 y 1100 ohmios-metro, estado humedecidos, parámetros geotécnicos inferidos, sueltos a semi compactados, comprende espesores y profundidades siguientes: Desde 0,00 a 4,20 metros de profundidad, SGV 04. Desde 0,00 a 7,00 metros de profundidad, SGV 02. 4.4.2.2. HORIZONTE (H2) Conformado de depósitos glaciares pleistocenos (Qpl-gl), litología de bloques y fragmentos de rocas volcánicas arrastrados, en matriz de tufos sueltos y arenas volcánicos estado humedecidos, parámetros geotécnicos sueltos a semi compactados, detectado con geovalor georesistivo de 1750 ohmios-metro, comprende espesor desde 0,00 a 14,30 metros de profundidad.


4.4.2.3. HORIZONTE (H3) Horizonte subyacente conformado de la Formación Alpabamba (Nm-al), litologías compuesta de rocas de tobas brechoides, riolíticas a dacíticas con n iveles de areniscas tobáceas, parámetros geotécnicos semi compactados a compactados, mapeado con geovalores georesistivos de 296, 302 y 897 ohmios-metro, comprende espesores y profundidades siguientes: Desde 10,50 a 26,60 metros de profundidad, SGV 04. Desde 2,70 a 27,80 metros de profundidad, SGV 02. ohmios-metro, comprende espesor desde 0,00 a 14,30 metros de profundidad. 4.4.2.4. HORIZONTE (H4) Horizonte subyacente, mapeado con geovalores georesistivos de 145, 123, 198 ohmios-metro, comprende espesores y profundidades siguientes: Desde 26,60 a mayor de 50 metros de profundidad, SGV 04. Desde 27,80 a mayor de 50 metros de profundidad, SGV 02. Desde 48,00 a mayor de 50 metros de profundidad, SGV 01. 4.4.3. SECCIÓN GEO ELÉCTRICA GEOTECNIA B1-B2, LONGITUDINAL MARGEN IZQUIERDA RÍO ARMA, FIG. Nº12. Sección geoeléctrica geotécnica, localizado en el área directa, longitudinal margen izquierda del rio arma, perpendicular al eje de la bocatoma El Vado, corte geoeléctrico de 62 metros lineales, sección orientado de Oeste Suroeste a Este Noreste (WSW-ENE), sección bidimensional (2D), obtenido con los SGV 03 y 02, donde se identifica capas, estratos y horizontes geoeléctricos H1, H2, H3 y H4, caracterizados y estimados los parámetros geotécnicos de los depósitos aluviales holocenos, formaciones y grupos geológicos del terciario mioceno, presentes en el subsuelo de extensiones laterales y verticales, definidos con propiedades georesistivas de las capas y horizontes, identificados se describirá y se sustentara: 4.4.3.1. HORIZONTE (H1) Depósitos fluviales recientes (Qfr-al) y depósitos aluviales holocenos (Qh-al), caracterizados como relleno sanitario, residuos sólidos de materiales diversos, identificado con geovalores georesistivos de 650, 325, 1100 y 275 ohmios-metro, estado humedecidos y saturados, parámetros geotécnicos inferidos, sueltos a semi compactados, comprende espesores y profundidades siguientes: Desde 0,00 a 9,50 metros de profundidad, SGV 03. Desde 0,00 a 7,00 metros de profundidad, SGV 02. 4.4.3.2. HORIZONTE (H3) Horizonte subyacente conformados de la Formación Alpabamba (Nm-al), litologías compuesta de rocas de tobas brechoides. riolíticas a dacíticas con niveles de areniscas tobáceas, parámetros geotécnicos semi compactados a compactados, mapeado con geovalores georesistivos de 215 y 296 ohmios-metro, comprende espesores y profundidades siguientes: Desde 9,50 a mayor de 50 metros de profundidad, SGV 03 Desde 7,00 a 27,80 metros de profundidad, SGV 02.


4.4.3.3. HORIZONTE (H4) Horizonte infrayacente conformados probablemente de litología de areniscas tobáceas, parámetros geotécnicos compactados, mapeado con geovalor georesistivo de 123 ohmios-metro, comprende espesor entre 27,80 a mayor de 50 metros de profundidad. 4.5. GEOMORFOLOGÍA Según el especialista “en esta Unidad morfológica de valle en V se desarrolla la infraestructura de la Bocatoma como también el canal de conducción principal hasta el Km. 2+000 de donde se desarrolla sobre laderas con pendientes abruptas. Son valles fluviales de fondo plano y amplio, constituidos por depósitos aluviales entre los cuales puede divagar el curso de agua. Son valles parcialmente amplios, el cauce ocupa una parte considerable del valle ya que la planicie aluvial es considerablemente amplia, en ésta se pueden observar rasgos del paisaje que no se encuentran en los valles encañonados como son: terrazas aluviales, de superficie sub horizontal tal como se aprecia en la siguiente foto:

Figura 14. Geomorfología zona de emplazamiento

La llanura está compuesta, generalmente, por sedimentos no consolidados que se erosionan rápidamente durante inundaciones y crecidas del río.” Por lo tanto habrá que tener especial cuidado con las quebradas que ingresan al cauce principal del río Arma. 4.6. GEOTECNIA EN LA BOCATOMA 4.6.1. UBICACIÓN DE PUNTOS DE EXPLORACIÓN (CALICATAS) Las calicatas excavadas son los que se ubican en las siguientes coordenadas UTM:


Coordenadas Bocatoma -Desarenador N°

Este

Norte

Descripción

1

739498

8293396

Bocatoma

2

739515

8293414

Bocatoma

3

739465

8293376

Desarenador

4

739459

8293413

Bocatoma

5

739590

8293596

Transporte de sedimentos

Cuadro 4: Cuadro Coordenadas Calicatas de exploración. Fuente Estudio Geotécnico de Bocatoma

4.6.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PUNTOS DE EXPLORACIÓN 4.6.2.1.

CALICATA (C-01)-“BOCATOMA”

0.20 – 1.50 m. en la parte del primer estrado superficial está conformado por estrato de arena mal grabada, de color parpado oscuro con presencia de gravas angulosas y bloques de piedras inconsolidados, también se observa raíces y/o material orgánico de plantas existentes en la zona. 1.50 – 3.00 m. en esta etapa se encuentra material componente suelo de fundación de origen aluvial constituido de arena limosa mal grabada de color gris a pargo con presencia de bloques de roca volcánica con diámetro de 12” a más. 4.6.2.2.

CALICATA (C-02)-“BOCATOMA”

0.20 – 2.00 m. en la parte del estrato está conformado por estrato constituido de origen residual (alteración de roca), constituido de lima orgánico parcialmente consolidado, de bajo pero especifico de color pardo amarillento. 4.6.2.3.

CALICATA (C-03)-“DESARENADOR”

0– 0.40 m. en la parte del primer estrato superficial está conformado por estrato constituido de arena limosa de contextura fina con presencia de material orgánico. 0.40 – 2.00 m. en esta capa se encuentra material componente estratos constituidos de arena limosa con poca presencia de grava, in-consolidado de color pardo gris en estratos sub horizontales, con presencia de bloques de roca transportados de formas sub redondeados . 4.6.2.4.

CALICATA (C-04)- “BOCATOMA”

0– 0.40 m. en la parte del primer estrato superficial está conformado estrato constituido de arena mal grada con presencia material orgánica superficialmente con presencia de bolonerias y bloques de roca mayores de 10”. 0.40 – 3.00 m. en esta capa se encuentra material componente de estrato aluvial constituido de arena limosa mal grabada con presencia de graba y bloques de origen volcánico, estrato inconsolidado con presencia de nivel freático a 0.80 m de superficie.


4.6.2.5.

CALICATA (C-05)

0– 0.30 m. en la parte del primer estrato superficial está conformada de estrato constituido de grava limosa mal grabada in-consolidado, sin plasticidad con gravas de formas sub redondeados parcialmente saturados en estratos sub horizontales. 0.30 – 0.60 m. estrato constituido de arenas limosas de color pardo negruzco, sin plasticidad de compacidad baja, de origen sedimentario, fuertemente saturado en estratos sub horizontales. 0.60 – 1.00 m. estrato por debajo de nivel freático constituido de grava limosa mal grabada saturado con forma de los granos y/o gravas sub redondeados producto de transporte que ha sufrido con presencia de gravas con diámetros de 2 pulgadas en 5 %. 4.6.2.6.

CALICATA (C-06):

0.00 – 2.50 m. en la parte del estrato superficial está conformado de material de terreno de fundación constituido de arena limosa con contenido de gravas de formas sub redondos, inconsolidados de color gris amarillento.

Figura 15. Ubicación Calicatas de Exploración Fuente Estudio Geotécnico de Bocatoma

4.6.3. CAPACIDAD DE CARGA ADMISIBLE


Prof. Df en (cm)

CALCULO DE CAPACIDAD PORTANTE (KgIcm2) PARA (Df=100 a 350 cm.) y (B =100 a 350 cm.) Ancho de la zapata (B en cm.) 100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

180.00

0.99

1.05

1.11

1.17

1.23

1.29

250.00

1.38

1.44

1.50

1.56

1.62

1.68

300.00 350.00

1.66 1.93

1.71 1.99

1.77 2.05

1.83 2.11

1.89 2.17

1.95 2.23

400.00

2.21

2.27

2.33

2.38

2.44

2.50

100.00 150.00

Cuadro 5: Capacidad portante en el emplazamiento de la Bocatoma Calicata N°1. Fuente Estudio Geotécnico de Bocatoma

CALCULO DE CAPACIDAD PORTANTE (Kg1cm2) PARA (Df=100 a 350 cm.) y (B =100 a 350 cm.) Ancho de la zapata (B en cm.)

Prof. Df en (cm)

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

0.94 1.28

1.00

1.06

1.12

1.17

1.23

1.34

1.40

1.46

1.51

1.57

350.00

1.53 1.77

1.59 1.83

1.64 1.89

1.70 1.95

1.76 2.00

1.82 2.06

400.00

2.02

2.07

2.13

2.19

2.25

2.30

100.00 150.00 180.00 250.00 300.00



CALCULO DE CAPACIDAD PORTANTE (Kg/cm2) PARA (Df=100 a 350 cm.) y (B =100 a 350 cm.) Ancho de la zapata (B en cm.)

Prof. Df en (cm)

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

180.00

0.86

0.90

0.95

0.99

1.04

1.09

250.00 300.00

1.19 1.42

1.23 1.47

1.28 1.52

1.33 1.56

1.37 1.61

1.42 1.65

350.00

1.66

1.70

1.75

1.80

1.84

1.89

400.00

1.89

1.94

1.99

2.03

2.08

2.13

100.00 150.00


4.6.4. ENSAYOS EN LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS En laboratorio se realizaron los ensayos de Humedad natural, Granulometría, Limite Liquido y Limite Plástico. Calicata 01 ESTRATO TAMIZ MAYOR 2" TAMIZ N° 4 TAMIZ N°10 TAMIZ N°40 TAMIZ N°200 HUMEDAD

Calicata 02

Calicata 03

Calicata 04

Calicata 05

Calicata 06

E-01 0.00 50.43 44.96 23.92 2.74

E-02 0.00 78.35 63.31 41.16 10.66

E-01 0.00 100.0 97.99 79.91 52.46

E-01 0.00 100.00 100.00 96.88 26.17

E-02 0.00 90.88 73.68 43.16 15.61

E-01 0.00 77.84 63.28 37.81 5.26

E-01 0.00 50.20 42.83 31.79 8.87

E-02 0.00 100.00 97.01 92.22 30.54

E-03 0.00 41.36 33.45 26.33 9.61

E-01 0.00 57.57 48.98 36.43 15.01

16.30

16.12

23.31

15.80

17.31

18.57

13.81

12.29

16.15

16.39

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

N.P. N.P. N.P.

A-1-a (0)

A-1-b (0)

A-4 (3)

A-2-4 (0)

A-1-b (0)

A-2-4 (0)

A-1-a (0)

A-1-b (0)

GP

SP-SM

ML

SM

GP-GM

SM

GP-GM

SM

NIVEL FREATICO

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

ANGULO DE FRICCION COHESION

31.60

33.20

29.10

31.20

0.00

0.00

0.00

0.00

CAPACIDAD PORTANTE

1.66

1.04

1.19

3.55

LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO INDICE PLASTICO CLASIFICACION AASTHO SUCS

A-1-b (0) A-1-b (0) SM

SP-SM

Cuadro 8: Cuadro Resumen Ensayos Laboratotio. Fuente Estudio Geotécnico de Bocatoma


4.7. HIDROLOGIA La tarea principal del estudio de hidrología debe ser la determinación un caudal máximo, que sirva como dato de entrada para el modelamiento hidráulico; por ello, es necesario conocer que la escala del diseño hidrológico es el rango en magnitud de la variable de diseño, dentro del cual se debe seleccionar un valor para determinar el flujo de entrada al sistema, y donde cada valor seleccionado debe equilibrar los criterios de costo y seguridad. Como resultado de la simulación hidrológica de la cuenca del río Arma hasta el sitio del emplazamiento de la bocatoma el Vado, según el estudio de hidrología se obtuvieron los parámetros resultados del caudal máximo de avenidas para diferentes periodos de retorno, los cuales se muestran en el siguiente cuadro:

Cuenca

Área

Tr=25años

Tr=50años

Tr=100años

Río Arma

877.58 km2

28.20 m3/s

41.20 m3/s

56.20

Cuadro 9: Caudales máximos en el río Arma. FUENTE: Estudio hidrológico.

Así mismo es importante que el hidrólogo tenga en cuenta que el límite superior práctico de dicho rango no es infinito, debido a que el ciclo hidrológico global es un sistema cerrado, este valor límite es conocido como PMP (Precipitación Máxima Probable), asociado a una CMP (Creciente Máxima Probable). Según la Organización Meteorológica Mundial (1983), la PMP es “una cantidad de precipitación que es cercana al límite físico superior para una duración dada sobre una cuenca particular”. Es así que reconocemos, respetamos y también hacemos en parte, nuestra, la posición de Ing. Reyes Carrasco que indica que “… En otros casos, los caudales son evaluados indirectamente (nosotros usamos el término “adivinados”), a partir de informaciones pluviométricas que casi siempre no pertenecen a la cuenca que alimenta al río en estudio, sino a otras cuencas y basados en una “pseudo analogía” pues en la generalidad de los casos la real analogía no es probada fehacientemente” “…, lo que nos ha hecho acuñar en nuestras clases la frase “creo más en una silvestre medición antes que en una cumputarizada adivinación”, para indicar que más vale medir valores de caudales, que generarlos por analogías a partir de métodos indirectos cuya validez es justamente cuestionables por el fuerte grado de indeterminación de ciertos parámetros de cálculo. En este sentido recomendamos efectuar los estudios de captación a partir del conocimiento de caudales, y si estos no existen como en la mayoría de los casos, hay que orientar los esfuerzos hacia la implantación de una estación hidrométrica.” Finalmente “... La respuesta la queremos dar, volcando en estas líneas nuestra propia experiencia, sin pretender que sea la solución total y perfecta; solo queremos contribuir a la solución del problema.” Los que suscriben están en parte de acuerdo con las aseveraciones del Ing. Reyes, por ello, también se ha realizado un ensayo que nos pueda dar más luces sobre el orden de magnitud de las estimaciones hidrológicas, por las líneas antes escritas creemos que no es incorrecto lo indicado en el párrafo anterior, simplemente muestra el profundo respeto que tenemos a la hidráulica y lo lejos que estamos de comprenderla.


Es así que en el barraje se ha tomado la sección topográfica del río, investigando y definiendo la cota de la huella hidrológica se ha estimado un caudal, a partir de la ecuación Manning y considerando un coeficiente rugosidad de n  0.05 . Se determinó un caudal de 41.20 (Ver Anexo 1), este criterio no está basado en consideraciones estadísticas de riesgo (periodo de retorno), sino que se asocia a un suceso concreto, finalmente y dado que el último valor, está cercano a los valores arrojados por el modelamiento hidrológico se realizará todo el modelamiento hidráulico con los valores arrojados por el especialista de hidrología. 4.8. TIPO DE BOCATOMA La decisión de la tipología de bocatoma es una decisión muy compleja y depende de factores externos. En el presente proyecto se ha discutido mucho al respecto, y en este momento nos retumba nuevamente en la cabeza la afirmación del experimentado Ing. Luis Reyes Carrasco “creo más en una silvestre medición antes que en una c omputarizada adivinación” Por ello el equipo técnico ha decido visitar tres bocatomas en el marco de este trabajo, dichas visitas técnicas podrían dar mejores luces sobre el comportamiento en situ de estructuras ya construidas.

Figura 16. Bocatoma Miflores en el Valle de Chilina

En la figura anterior podemos observar la Bocatoma de Miraflores, en nuestra opinión esta bocatoma tiene un comportamiento bueno ante avenidas. Aquí es importante mencionar lo observado en la parte posterior al barraje y el cumulo de material aluvial y más aún delante del muro guía del canal despedrador. Y durante los años que venimos observando esta bocatoma (1994), no ha sido necesario la entrada de maquinaria para la limpieza del material aluvial ubicado detrás del barraje esto debido seguramente a que en la sección de esta bocatoma se ha observado mayoritariamente carga en suspensión y no carga de lecho. Lo último también podría ser consecuencia de la retención de solidos de las presas El Frayle y Aguada Blanca. Las dos siguientes bocatomas reciben una carga de material aluvial diametralmente diferente tanto carga de lecho y carga en suspensión, esto se debe a las características geológicas de los suelos del río siguas. Según el (ANA (PMGRH), 2008) “debido a la acumulación de sólidos en la bocatoma de Pitay (Proyecto Majes Siguas), se ejecutan maniobras de su compuerta de limpia, con relativa frecuencia, con incremento de caudal hacia aguas abajo con alta concentración de sólidos, que arrasan las


pequeñas tomas rústicas y arenan los canales. Con el tiempo, el volcán Sabancaya ha disminuido su actividad y consecuentemente el transporte de cenizas es escasa; los sólidos que transporta el río son básicamente producto de la erosión del lecho y laderas adyacentes, que se incrementan por el efecto de la erosión de laderas en épocas de lluvias.”

Figura 17. Bocatoma en Santa Rita de Siguas

Figura 18. Bocatoma de Pitay

Como se puede observar en las figuras anteriores la bocatoma de Pitay ha optado por una bocatoma tipo radial para el despedrador, así mismo, también tiene un desripiador, un desarenador de limpia continua y aun así se tienen problemas de sedimentos para la irrigación en el pedregal. De lo observado en estas tres bocatomas y la experiencia adquirida en anteriores diseños, construcción, supervisión, operación y mantenimiento, de los especialistas que participaron en el diseño de la bocatoma el Vado, se recomienda una bocatoma de barraje fijo (presa sólida), para levantar el tirante a las compuertas de captación. Así también se propone una compuerta despedradora del tipo rectangular plana un canal desgravador y un desrripiador luego de la ventana de captación.


5.

MODELACIÓN MODELACI ÓN HIDRÁULI HIDRÁULICA CA

5.1. MODELO HIDRÁULICO HIDRÁULICO DEL RÍO ARMA SIN PROYECTO PROYECTO Este ítem ha sido realizado con el objetivo de dimensionar la longitud final del barraje de la bocatoma el Vado, hallando la llanura de inundación para ubicar y dimensionar las obras de encauzamiento. Es aquí importante la determinación determinación del ancho estable del del río para modificar modificar lo menos posible las características hidráulicas del río Arma. Ahora es importante realizar el modelamiento hidráulico del río Arma sin proyecto, esto es posible mediante el modelo numérico. Para estudios de inundabilidad como el desarrollado aquí, la modelación hidráulica más ampliamente utilizada es hecha suponiendo unidimensionalidad del flujo, régimen permanente gradualmente variado y lecho fijo, tal y como afirma Bladé [2005]: “Para el estudio de los niveles y velocidades de agua en ríos, la aproximación que sin duda se h a utilizado más es la de flujo unidimensional y régimen permanente gradualmente variado. Por sencillez de programación y de discretización del dominio, y a veces por falta de información en las condiciones de contorno en régimen no permanente (hidrogramas), ésta es la metodología que más se utiliza incluso hoy. Las hipótesis fundamentales para este tipo de aproximación son movimiento unidimensional, régimen permanente y fondo fijo.” El modelo hidráulico adoptado, con las características antes descritas, ha sido implementado en el software HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis System), desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (HEC por sus siglas en inglés) del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos (U.S. Army Corps of Engineers). El modelo HEC-RAS además permite modelar el flujo tanto en régimen subcrítico como en régimen supercrítico, así como la combinación de ambos regímenes, en un régimen denominado mixto. 5.1.1. RUGOSIDAD DEL CAUCE El mayor problema en el uso de la ecuación de Manning radica en la estimación del coeficiente de rugosidad n. Se sabe que el coeficiente de rugosidad de Manning depende de muchos factores, tales como la rugosidad superficial del canal, la vegetación existente, irregularidades del canal, alineamiento del canal, la sedimentación y socavación que pueda producirse, obstrucciones, cambios de estación, etc. “Con el nivel de conocimiento actual, seleccionar un valor de n significa estimar la resistencia al flujo en un canal determinado, lo cual realmente es un asunto de intangibles. Para ingenieros veteranos, esto significa utilizar profundos criterios de ingeniería y experiencia; para principiantes, no pasa de ser un proceso de adivinanza, y diferentes individuos obtendrán diferentes resultados.” [Chow, 1994]. De acuerdo al procedimiento propuesto por Cowan, el coeficiente de rugosidad de Manning puede ser estimado por la expresión [Chow, 1994]: n  (n0  n1  n2  n3  n4 )  m5

En el siguiente cuadro se resumen las condiciones que fueron asumidas para la obtención del coeficiente de rugosidad, además se muestra que el coeficiente de rugosidad adoptado es de n  0.05 .


Condiciones del canal

Valores

Material involucrado

Grava gruesa

n0

0.026

Grado de Irregularidad

menor

n1

0.005

Variaciones de la sección transversal

Ocasionalmente alternate

n2

0.005

Efecto relativo de las obstrucciones

apreciable

n3

0.012

Vegetación

baja

n4

0.01

Grado de los efectos por menadros

menor

m5

1

FUENTE: Elaboración propia.

Cuadro 10: Estimación del coeficiente de rugosidad de Manning para el río Arma en el sector de la bocatoma el Vado.

A continuación se muestra una breve descripción de las condiciones de un río (Goleen Colorado) y su valor de “n” correspondiente. Estas fotografías fueron recolectadas y nos dan una idea de la apariencia del río que tienen un valor de “n” y por tanto facilitan la selección del valor de “n”. I.

RIACHUELO LIMPIO CERCA DE GOLEEN, COLORADO. Área de drenaje: 1030 Km2 Fecha de avenida: 26 de Mayo de 1958 Caudal pico: 39.1 m3/s Coeficiente de rugosidad estimado: n = 0.050 Descripción del río: fondo y bordos están compuestos de piedras angulares del orden de 0.51 m de diámetro.

Figura 19. Río con coeficiente coeficiente de Manning n=0.05 (Fuente: Barnes, H. H. Jr. Roughness Characteristics of Natural Channels, U.S. Geological Survey, 1967)


Figura 20. Secciones de río Colorado (Fuente: Barnes, H. H. Jr. Roughness Characteristics of Natural Channels, U.S. Geological Survey, 1967)

Figura 21. Río Arma Sección el vado

Con lo cual corroboraríamos el valor adoptado de n=0.05 basados en la similitud de las características del río.


5.1.2. FLUJO VARIADO EN RÉGIMEN PERMANENTE El flujo variado en régimen permanente o flujo permanente variado, es aquel, en el que los parámetros hidráulicos del flujo varían espacialmente, más no temporalmente; es decir que el tirante puede cambiar a lo largo del canal. El flujo variado se clasifica en dos: flujo gradualmente variado y flujo rápidamente variado.  Flujo gradualmente variado.

Cuando los cambios en los parámetros hidráulicos del flujo, tales como profundidad y velocidad, suceden de manera gradual a lo largo del canal, se dice que el flujo es gradualmente variado. “La pérdida de altura en una sección es la misma que para un flujo uniforme que tiene la velocidad y el radio hidráulico de la sección”[Chow, 1994]. Bajo esa suposición es posible evaluar la pendiente de energía en cada sección usando la ecuación de Manning. En realidad la suposición anterior nunca ha sido completamente verificada ni experimental ni teóricamente; sin embargo, la experiencia ha demostrado que los resultados obtenidos bajo este supuesto son satisfactorios en aplicaciones ingenieriles. En conclusión, el flujo gradualmente variado se produce sólo bajo las siguientes hipótesis: las líneas de corriente son casi paralelas (distribución hidrostática de presiones), la pendiente del canal es pequeña (menor a 6° ó 10%) y la pendiente de la línea de energía puede ser evaluada con una ecuación de flujo uniforme (ecuación de Manning).  Flujo rápidamente variado.

Cuando los cambios en las características hidráulicas del flujo son abruptos en una longitud relativamente corta, se dice que el flujo es rápidamente variado. Ésta situación se da cuando el flujo cambia de régimen, ya sea de flujo subcrítico a supercrítico o viceversa, tales comportamientos particulares son conocidos como fenómenos locales. Dentro de estos fenómenos locales se pueden nombrar a la caída hidráulica y al resalto hidráulico. 5.1.2.1.

ECUACIÓN DE ENERGÍA.

En flujo permanente, para la determinación del perfil de agua se lleva adelante un balance de energía, este balance debe ser realizado entre la sección 2 y la sección 1 mostrada en la Figura siguiente.

 2

V 2

2

Lí ne a d e e n e r gí a

2. g

he

S up e rf íc i e l i b re 2

Y2

 1

V 1 2.g

F o n d o Y1

Z2 Z1

Plano de referencia

Figura 22. Representación de los términos del balance de energía. Fuente: Adaptado de [HEC-RAS, 2010]


Z 2  Y 2   2

V 2

2

2g

 Z 1  Y 1   1

V 1

2

2g

 he

V 2 En la ecuación anterior el término Z  Y  es el muy conocido trinomio de Bernoulli. 2g

Donde: Z 1 , Z 2 : Cotas de los puntos más bajos de cada sección transversal, respecto a un nivel de

referencia arbitrario. Y 1 , Y 2 : Tirantes de agua en cada una de las secciones, en cauces naturales son medidos respecto

del punto más bajo de la sección transversal. V 1 , V 2 : Velocidades medias en cada sección transversal. 1

,

2

: Coeficientes de Coriolis o coeficientes de energía.

g : Constante de la aceleración de la gravedad (9.81m/s 2).

he : Pérdida total de la carga de energía, por fricción y por pérdidas locales (contracción y

expansión). Además: he  L  S f  hlocal

Donde: L : Longitud ponderada a la sección inmediatamente aguas abajo. S f : Pendiente representativa de la línea de energía en tre las dos secciones en estudio.

h local : Pérdida de carga por contracción y expansión. L es calculada como:

L 

L21izq  Q 21izq  L21centro  Q 21centro  L21der  Q 21der Q 21izq  Q 21centro  Q 21der

HEC-RAS permite dividir la sección transversal en llanura de inundación izquierda, derecha y canal central, con el propósito de asignar diferentes coeficientes de rugosidad de Manning y las longitudes a la sección inmediatamente aguas abajo.


Figura 23. División por defecto de las secciones en HEC-RAS Fuente: [Bladé, M. Sánchez, Juny, H.P. Sánchéz, Niñerola y Gómez; 2009]

Q

AR

K  n1

2/3

S f

n A  R

2/3

n n2

n3 Ader , R h, der

Aizq, R h, izq Acentro, R h,centro

KT =Kizq +Kcentro+Kde r Figura 24. División por defecto de las secciones en HEC-RAS Fuente: [Bladé, M. Sánchez, Juny, H.P. Sánchéz, Niñerola y Gómez; 2009]

5.1.2.2. PONDERACIÓN DEL COEFICIENTE DE MANNING. Para determinar el coeficiente de rugosidad equivalente en secciones cuyo perímetro mojado presenta diferentes rugosidades, el área mojada puede ser dividida en varias partes, de ellas se deben calcular y conocer el perímetro mojado y el coeficiente de rugosidad, respectivamente. Horton en 1933 y Einstein en 1934, supusieron que la velocidad media en cada sección parcial era la misma y además igual a la velocidad media de toda la sección.


Bajo el supuesto de Horton y Einstein y considerando dividir la sección en 3 partes (llanura de inundación izquierda, derecha y canal central), se puede obtener la siguiente relación:

 Pizq nizq 3 / 2  Pcentro ncentro 3 / 2  Pder nder 3 / 2  ne      P P P   izq centro der

2/3

En realidad existen otras expresiones para determinar el coeficiente de rugosidad equivalente de Manning, entonces cabe la pregunta: ¿Cuál usar?, o en todo caso ¿Cuál es la mejor? ,Motayed y Krishnamurthy (1980) usando los datos de secciones transversales de 36 canales naturales, obtenidos por la U.S. Geological Survey, mostraron que el cálculo de la rugosidad equivalente usando la expresión de Horton y Einstein arroja el menor error, comparado con otras expresiones [Chaudhry, 2008]. 5.1.2.3.

COEFICIENTE DE CORIOLIS.

Para la determinación de la altura de velocidad de la sección es necesario determinar el coeficiente de energía de la sección, entonces, de acuerdo a la siguiente figura, el peso de agua que fluye a través de  A por unidad de tiempo es  V  A , donde  es el peso unitario del agua. Además, la energía cinética de una masa m viajando a una velocidad V es

1 2 mV . 2

Entonces la energía cinética de la masa que pasa a través de  A por unidad de tiempo es:

1  V 2 2  V  A  V   V  A 2 g 2g Por lo tanto la energía cinética para toda la sección sería: 2

V



  V  A 2 g  2 g  V 3 A

 A

Figura 25. Representación de una parte muy pequeña del área hidráulica. Fuente: Adaptado de [Chaudhry, 2008].

Ahora bien, si suponemos que la velocidad media de toda la sección es V m , la energía cinética puede ser escrita como:

 V m 2      V m 3   A  V m   A   2g  2g  


Donde  es el coeficiente de energía para corregir la distribución no uniforme de la velocidad, de las anteriores ecuaciones se obtiene. V 3   A    3 V   A m

A izq,Vizq

A centro,Vcentro

A der,Vder

Figura 26. Distribución del área hidráulica. Fuente: Adaptado de [Chaudhry, 2008].

3

 

3

3

V izq Aizq  V centro Acentro  V der Ader 3

2



2

2

V izq Qizq  V centro Qcentro  V der Qder 2

V A

V Q

Si bien es cierto que HEC-RAS desarrolla un modelamiento unidimensional, en el momento de dividir la sección en llanura de inundación izquierda, derecha y canal central se acepta una cierta distribución de velocidades. Lo anterior permite un mejor modelamiento, debido a que normalmente en una corriente perenne, una parte de ésta siempre transporta el caudal base (época de estiaje) y en época de máximas avenidas son inundados los terrenos aledaños. La parte de la sección transversal donde circula el caudal base se llamaría canal central y las zonas aledañas: llanura de inundación, lo que permite diferenciar el coeficiente de rugosidad de Manning. Sin embargo, vale la pena aclarar, que la manera como se ha determinado aquí el coeficiente de energía es solo una mera aproximación a este parámetro tan complejo; en realidad solo se está ponderando la energía cinética dentro de la sección [Bladé et al., 2009]. 5.1.2.4. PENDIENTE DE LA LÍNEA DE ENERGÍA. Para determinar la pendiente de la línea de energía se utiliza la ecuación de Manning.

 Q  S f     K 

2

Las pendientes obtenidas para cada sección son utilizadas para ponderar la pendiente de la línea de energía S f  entre las dos secciones en estudio. En la bibliografía se han propuesto varias maneras de calcular S f , las que son mostradas a continuación: 

Ecuación del factor de transporte medio:

 Q  Q2   S f   1 K K   T 1 T 2 

2




Media aritmética:

S f 



S f 1  S f 2

2

Media geométrica:

S f 



S f 1  S f 2

Media Armónica:

S f 

2  S f 1  S f 2 S f 1  S f 2

Laurenson (1986) mostró que con la fórmula de la media aritmética se obtiene el error máximo más bajo, aunque este error no siempre sea pequeño. Si la distancia entre secciones es pequeña o la diferencia entre los tirantes de agua de una sección y otra no es significativa. En suma, las tres últimas ecuaciones son simplemente aproximaciones [Chaudhry, 2008]. Para el presente proyecto se ha seguido la recomendación de Laurenson (1986), que es también adoptada por HEC-RAS [2010]. 5.1.2.5. COEFICIENTE DE PÉRDIDAS POR CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN. No existe una metodología racional disponible para evaluar estas pérdidas, se sabe que dependen de la perdida de altura de velocidad y pueden ser expresadas como parte de ella: hlocal  C  2

V 2

2

2g

  1

V 1

2

2g

Se sabe que para canales gradualmente convergentes y divergentes, el valor de C suele oscilar entre C  0 a 0.1 y 0.2, para expansiones y contracciones abruptas suele estar alrededor de 0.5 [Chow, 1994]. HEC-RAS considera cualquier aumento en la velocidad como una contracción, y la disminución de la misma como una expansión, aun en canales prismáticos en flujo gradualmente variado; por ello se recomienda modelar canales prismáticos con coeficientes por contracción y expansión nulos [Bladé et al., 2009]. Cuando la contracción y expansión no es abrupta, sino más bien gradual y el flujo se da en régimen subcrítico, los coeficientes están típicamente alrededor de 0.1 para contracciones y 0.3 para expansiones [Dingman, 2009; HEC-RAS, 2010]. En general, los coeficientes empíricos de contracción y expansión deberían ser más bajos para el flujo supercrítico, usar los mismos coeficientes del flujo subcrítico puede sobreestimar la pérdida de carga y generar inestabilidades numéricas al momento de calcular la superficie del agua. Típicamente los valores del coeficiente para una contracción y expansión gradual en flujo supercrítico están alrededor de 0.01 y 0.03, respectivamente [HEC-RAS, 2010].


5.1.2.6. ECUACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO.

Figura 27. Fuerzas actuantes sobre el volumen de control. Fuente: [HEC-RAS, 2010].

De acuerdo con la anterior y aplicando la segunda ley de Newton se tiene: P2  P1  F f  W x  Q    V x

Dónde: P2 , P1 : Resultante de las fuerzas de la presión hidrostática en la dirección del movimiento.

W x : Componente del peso del volumen de control en la dirección del movimiento. F f : Fricción del flujo en movimiento sobre el contorno entre las secciones 2 y 1.

Q : Caudal circulante.

 : Densidad del agua.

V x : Cambio en la velocidad entre las secciones 2 y 1 en la dirección del movimiento. Fuerzas de la presión hidrostática.

Las fuerzas de la presión en la dirección del movimiento son: P    AY cos 

Asumiendo que la distribución hidrostática de presiones es válida para pendientes menores que 10%, se puede tomar el valor de cos como la unidad, resultando: P2    A2 Y 2


P1    A1 Y 1

Donde:  : Peso unitario del agua. A1 , A2 : Área mojada de las secciones transversales 1 y 2. Y 1 , Y 2 : Profundidad medida desde la superficie del agua al centro de gravedad de la sección 1 y 2.

Peso del volumen control.

 A1  A2   L 2   W x W sen

W    

sen 

Z 2  Z 1 L

 S 0

 A1  A2   L  S 0  2 

W x    

Donde: L : Distancia entre las secciones 1 y 2 a lo largo del eje X.

S 0 : Pendiente geométrica del canal entre las secciones 1 y 2. Z i : Elevación del fondo del canal.

Fuerza de fricción externa. F f    P  L

Donde:     R  S f

Donde: R : Radio hidráulico medio. S f : Pendiente de la línea de energía media.

Finalmente se obtiene:

 A   A  A2   S f P L    1  S f L  2   P 

F f   

Masa por aceleración.


m  a  Q    V x

 

 g

ma 

y V x   1V 1   2V 2 Q g

  1V 1   2V 2 

Donde  1 y  2 son los coeficientes de momentum, los cuales consideran la distribución no uniforme de la velocidad en un canal. Reemplazando todo lo anterior en la ecuación de la segunda ley de Newton y considerando que el caudal varía entre una sección y otra se obtiene la ecuación del momentum.

2

Q2  2 gA2

2

Q   A  A2   A  A2   A2 Y 2   1   L  S 0   1   L  S f  1 1  A1 Y 1 gA1  2   2 

5.1.2.7. CONCEPTO DE ENERGÍA ESPECÍFICA Y REGÍMENES DE FLUJO. La energía específica en una sección transversal es la energía por unidad de masa medida con respecto a la parte más baja o fondo del canal [Chow, 1994; Dingman, 2009]. De la ecuación de Bernoulli se tiene: E  y  

V 2

2g

En la ecuación anterior se puede observar que la energía específica es la suma del tirante de agua, más la energía de velocidad corregida. Además, si se considera que la pendiente del canal es pequeña y el coefici ente de energía  es igual a la unidad, se obtiene la siguiente ecuación: E ( y )  y 

Q

2

2   A( y ) 2  g

Entonces, según la ecuación anterior, la energía específica para una sección y un caudal dado sólo depende del tirante de agua. Para poder estudiar mejor el comportamiento de la energía específica, se puede trazar un gráfico, en este gráfico la ordenada es el tirante y la abscisa representa la energía específica, esta curva es la llamada curva de energía específica . La curva tiene dos ramas, una de ellas es asintótica al eje horizontal y la otra es asintótica a una recta de 45° que pasa por el origen, además se puede observar que la curva posee un mínimo para cierta energía específica, es precisamente este mínimo el tema de discusión de las siguientes líneas.


y

a i c t r í c b u s a a m R

a n t l e o

y c

R a m a su pe r cr ít i ca o r á pi d a

45°

E min

E

Figura 28. Curva de energía específica. Fuente: Adaptado de [Dingman, 2009].

Con el objetivo de determinar la mínima energía específica, se deriva E ( y) respecto de y : dE ( y ) dy

1 

Q2 3

g  A( y ) 



dA dy

T(y)

dy dA

y

Figura 29. Representación de los términos de la mínima energía específica. Fuente: Adaptado de [Chow, 1994]

Notando que el caudal es constante y que en la figura anterior T ( y )  dE ( y ) dy

Al igualar a cero la anterior ecuación, resulta:

 1

V 2 gA

 T

dA dy

se tiene:


1 D

2



V 2 gD V 2

2g

De la ecuación anterior se puede concluir que la energía específica mínima se da cuando la altura de velocidad es igual al 50% de la profundidad hidráulica, claro está, bajo los supuestos del flujo gradualmente variado. De las ecuaciones anteriores también se puede obtener lo que se conoce como régimen crítico, y es a partir de esta ecuación que se define el número de Froude como: Fr 

V gD

Al observar la Figura de la curva de energía específica, se puede concluir que el régimen crítico se desarrolla precisamente a cierta profundidad específica, la cual es conocida como tirante crítico  y c  . Entonces, para tirantes mayores al crítico se verá que el número de Froude es menor que la unidad (régimen lento o subcrítico), y si los tirantes fueran menores que el tirante crítico, el número de Froude será mayor que la unidad (régimen rápido o supercrítico): Fr 1 : Régimen lento o subcrítico. Fr 1 : Régimen crítico.

Fr 1 : Régimen rápido o supercrítico.

Para entender mejor los regímenes de flujo, Chanson [2004] hace una excelente definición: “Para números de Froude menores que la unidad, las perturbaciones en un punto se propagan a todas las partes del flujo; sin embargo, para números de Froude mayores que la unidad, las perturbaciones se propagan sólo aguas abajo. En otras palabras en flujo supercrítico, pequeñas perturbaciones se propagan únicamente en la dirección aguas abajo del flujo, mientras que en flujo subcrítico, ondas pequeñas pueden propagarse tanto en la dirección aguas arriba como en la dirección aguas abajo”. 5.1.2.8. FUERZA ESPECÍFICA. La ecuación de la fuerza específica es obtenida a partir de la ecuación del momentum. Cuando se utiliza la ecuación del momentum para tramos muy cortos de canal, la fuerza externa de fricción y la componente del peso del agua son pequeñas y pueden ser ignoradas. Si además,  1   2 1 , en la ecuación: 2

Q2  2 gA2

2

Q   A  A2   A  A2   A2 Y 2   1   L  S 0   1   L  S f  1 1  A1 Y 1 gA1  2   2 

del momentum queda reducida a la siguiente ecuación: Q2

2

gA2

 A2 Y 2 

Q1

2

gA1

 A1 Y 1

Los dos lados de la ecuación anterior son análogos, y pueden ser expresados para una sección del cauce como una función general:


F 

Q2 gA

 A  Y

La función generalizada anterior, consiste en dos términos. El primer término es el momentum del flujo pasando por la sección transversal del canal por unidad de tiempo, ésta es la parte de la ecuación que es considerada como dinámica. El segundo término representa el componente estático, y representa la fuerza por unidad de peso del agua. Ambos términos son esencialmente una fuerza por unidad de peso, de allí que la suma de los términos es la llamada fuerza especifica [Chow, 1994].

Figura 30. a) Curva de energía específica; b) Sección del canal; c) Curva de fuerza específica. Fuente: [Chow, 1994].]

En la parte “c” de la Figura anterior se puede observar el gráfico de la fuerza específica, en ella se puede observar que para una fuerza especifica F 1 se tiene dos posibles profundidades, se nota también que “las profundidades y1 y y' 2 mostradas por la curva de energía específica son las profundidades alternas; en tanto que las profundidades y1 y y2 mostradas por la curva de fuerza específica son las profundidades inicial y secuente de un resalto hidráulico, respectivamente” [Chow, 1994]. En realidad, el análisis de estos dos gráficos ayuda tremendamente en la ubicación del resalto hidráulico. 5.1.3. CONDICIONES DE FRONTERA. “La elevación de la superficie de agua en la sección inicial, donde debe empezar el cálculo de un perfil de flujo, puede ser desconocida en un canal natural; el uso de paso del cálculo con respecto a este problema ofrece una ventaja especial. Si el paso de cálculo empieza con una elevación supuesta que es incorrecta para determinado caudal, el perfil de flujo resultante se hará cada vez más correcto con cada paso de cálculo, siempre y cuando éstos se lleven en la dirección correcta. Por consiguiente, si no se conoce una elevación en el tramo bajo consideración o cerca de él, puede suponerse una elevación arbitraria para una sección distante suficientemente lejos, ya sea aguas arriba o abajo de la sección inicial” [Chow, 1994]. De acuerdo con el párrafo anterior, antes de definir las condiciones de frontera es recomendable hacer una investigación sobre cuál sería probablemente el régimen de flujo (subcrítico, supercrítico


o mixto). Por ejemplo, se podría hacer una revisión de la pendiente del cauce, discretizado en tramos razonables, y chequear si éstas son mayores o menores a su pendiente crítica, esto nos podría dar luces sobre el tipo de régimen del flujo. Flujo subcrítico:

Para este caso es necesario definir un tirante en una sección aguas abajo y llevar el cálculo hacia aguas arriba (en la dirección contraria al flujo). Flujo supercrítico:

Para este caso es necesario definir un tirante en una sección aguas arriba y llevar el cálculo hacia aguas abajo (en la dirección del flujo). Flujo mixto:

En caso de que luego de la investigación se concluya que habrá tramos en régimen lento y otros en régimen rápido, entonces será necesario definir un tirante tanto aguas arriba como aguas abajo. Siempre que la elevación de la superficie de agua en las fronteras del estudio no sea conocida, el modelador deberá asumir un tirante para iniciar los cálculos, para ello deberá definir un tirante conocido, seleccionar el tirante normal o crítico. En realidad intuir un tirante de agua es una de las mayores incertidumbres del modelo aplicado a cauces naturales, según Bladé et al. [2009] en flujo supercrítico podría adoptarse el tirante crítico aguas arriba, ya que, si bien es cierto no es el correcto está del lado de la seguridad. Ahora bien, cuando se estima la superficie de agua en la sección inicial de cálculo, se ha incorporado un error en sus proximidades al momento de calcular el perfil de la superficie de agua; estos errores podrían ser importantes y desacreditar el cálculo, por ello es recomendable adicionar más secciones transversales aguas arriba o abajo según sea el caso [HEC-RAS, 2010]. Si el régimen es subcrítico, entonces solamente será necesario aumentar secciones aguas abajo; si el flujo fuera supercrítico, será necesario aumentar secciones aguas arriba; y si el flujo fuera mixto, será necesario aumentar secciones tanto aguas arriba como aguas abajo. Pero aún queda por resolver si las secciones adicionadas son suficientes para disipar el error producido al asumir un tirante de agua; esto puede ser resuelto con un procedimiento denominado análisis de sensibilidad. Para ello, se hace variar al tirante asumido tanto con valores por debajo, como por encima de éste; si al calcular el tirante en el límite de estudio, éste no cambia, entonces se podrá dar por correcto el tirante en el límite de estudio, caso contrario sería recomendable aumentar más secciones. Tal metodología ya fue propuesta por Chow [1994], quien en unas líneas decía: “Una vez que el paso de cálculo ha sido llevado a cabo hasta la sección inicial las elevaciones serán correctas. Puede hacerse una verificación llevando a cabo los mismos cálculos con otra elevación supuesta en la sección distante. La elevación calculada en la sección inicial es la elevación correcta si el segundo valor calculado coincide con el primer valor. Los dos valores a menudo coinciden si la distancia desde la sección distante hasta la sección inicial es suficiente.” 5.1.4.

DATA INGRESADA AL HEC-RAS PARA EL MODELO HIDRÁULICO DEL RÍO SIN PROYECTO.

Los datos ingresados al software son los mostrados en el siguiente cuadro, de ellos vale la pena mencionar que la condición de frontera aguas arriba y abajo ha sido tomada a partir de un análisis de sensibilidad el cual se muestra en los anexos de esta memoria (Ver Anexo 2).


Así mismo el modelo de elevación digital se ha tomado de la topografía realizada para este proyecto y los planos de llanura de inundación pueden ser revisados en los anexos.

Datos CAUDALES MÁXIMOS (Tr=25, Tr=50años y Tr=100años)

28.20 m3/s, 41.20 m3/s y 56.20 m3/s respectivamente (Ver Estudio hidrológico)

COEFICIENTE DE MANNING

n=0.05

TIPO DE MODELACION

Flujo Permanente, Flujo Mixto

CONDICION DE BORDE AGUAS ARRIBA

Ver análisis de Sensibilidad (Anexo)

CONDICION DE BORDE AGUAS ABAJO

Ver análisis de Sensibilidad

Cuadro 11: Resumen de datos ingresados al HEC-RAS. FUENTE: Elaboración propia.

Figura 31 Secciones exportadas al HEC-RAS

5.1.5. SALIDA DEL PROGRAMA HEC-RAS DEL RÍO ARMA – CAUCE NATURAL SIN PROYECTO a) RESULTADOS DE LA MODELACIÓN A continuación se muestran los resultados para cada perfil y para tiempos de retorno de 25, 50, y 100 años , donde se relacionan las variables de caudal, cota mínima, cota del nivel de río, cota del


nivel de energía, pendiente en el canal, Velocidad en el canal, área de flujo, ancho y numero de Froude.

Reach

River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev (m3/s) (m) (m) rio arma 770.00* TR=50 41.2 4058.14 4059.39 rio arma 770.00* TR=25 28.2 4058.14 4059.05 rio arma 770.00* TR=100 56.2 4058.14 4059.51 ri o arma rio arma ri o arma

760 760 760

TR=50 TR=25 TR=100

41.2 28.2 56.2

4057.75 4057.75 4057.75

4059.27 4059.02 4059.39

ri o arma 750.00* TR=50 ri o arma 750.00* TR=25 rio arma 750.00* TR=100

41. 2 28. 2 56.2

4057. 63 4057. 63 4057.63

ri o arma rio arma ri o arma

TR=50 TR=25 TR=100

41.2 28.2 56.2

ri o arma 730.00* TR=50 ri o arma 730.00* TR=25 ri o arma 730.00* TR=100 ri o arma rio arma ri o arma

Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude (m) (m) (m/m) (m/s) (m2) (m) 4059.26 4059.6 0.025571 2.03 20.29 39.91 0.91 4059.08 4059.36 0.036908 2.48 11.38 21.87 1.1 4059.49 4059.76 0.028584 2.22 25.3 47.3 0.97 4059.39 0.014242 4059.13 0.007107 4059.54 0.013354

1.56 1.43 1.73

26.42 19.69 32.55

49.73 24.94 50.02

0.68 0.51 0.68

4059. 15 4058. 97 4059.27

4059. 26 4059. 06 4059.42

0. 011307 0. 005412 0.011735

1. 51 1. 32 1.71

27. 37 21. 4 32.95

45.57 24.94 46.76

0. 62 0. 45 0.65

4057.51 4057.51 4057.51

4059.07 4058.93 4059.18

4059.16 4059 4059.31

0.008268 0.00544 0.009004

1.35 1.13 1.56

30.59 24.93 36.12

47.35 36.55 47.95

0.54 0.44 0.57

41.2 28.2 56. 2

4057.5 4057.5 4057.5

4058.97 4058.85 4059. 08

4059.07 4058.93 4059. 21

0. 010561 0. 009651 0. 011079

1.4 1.19 1. 6

29.33 23.69 35. 12

51.63 50 52.66

0.6 0.55 0. 63

TR=50 TR=25 TR=100

41.2 28.2 56.2

4057.5 4057.5 4057.5

4058.84 4058.75 4058.95

4058.54

4058.95 4058.82 4059.09

0.012335 0.010957 0.012735

1.45 1.21 1.64

28.49 23.38 34.2

53.97 53.24 54.76

0.64 0.58 0.66

ri o arma 710.00* TR=50 rio arma 710.00* TR=25 ri o arma 710.00* TR=100

41. 2 28.2 56. 2

4057. 37 4057.37 4057. 37

4058. 65 4058.35 4058. 76

4058.35

4058. 79 4058.63 4058. 93

0.02039 0.031704 0. 017887

1. 69 2.35 1. 83

24. 37 12 30. 74

53.32 22.29 54.2

0. 8 1.02 0. 78

ri o arma rio arma ri o arma

TR=50 TR=25 TR=100

41.2 28.2 56.2

4057.24 4057.24 4057.24

4058.52 4058.22 4058.66

4057.98

4058.63 4058.37 4058.79

0.011717 0.010822 0.010451

1.45 1.7 1.57

28.44 16.63 35.68

51.6 22.32 52.37

0.62 0.63 0.61

ri o arma 690.00* TR=50 ri o arma 690.00* TR=25 ri o arma 690.00* TR=100

41. 2 28. 2 56. 2

4057. 12 4057. 12 4057. 12

4058. 4 4058. 13 4058. 55

4058. 51 4058. 26 4058. 68

0. 011539 0. 010275 0. 010007

1. 49 1. 59 1. 6

27. 65 17. 77 35. 22

47.68 25.52 49.22

0. 62 0. 61 0. 6

rio arma rio arma rio arma

TR=50 TR=25 TR=100

41.2 28.2 56.2

4057 4057 4057

4058.27 4058.04 4058.46

4058.39 4058.15 4058.58

0.012742 0.009728 0.009897

1.56 1.5 1.58

26.47 18.86 35.67

46.09 28.43 50.43

0.66 0.59 0.6

ri o arma 670.00* TR=50 ri o arma 670.00* TR=25 rio arma 670.00* TR=100

41. 2 28. 2 56.2

4056. 85 4056. 85 4056.85

4058. 16 4057. 95 4058.35

4058. 28 4058. 06 4058.49

0.00881 0. 009133 0.008966

1. 54 1. 42 1.65

26. 83 19. 79 34.08

36.16 30.64 41.82

0. 57 0. 57 0.58

rio arma ri o arma ri o arma

41.2 28.2 56.2

4056.7 4056.7 4056.7

4058.1 4057.89 4058.28

4058.2 4057.97 4058.4

0.006753 0.006814 0. 007245

1.43 1.29 1.59

28.77 21.82 35.45

35.21 31.37 39.26

0.51 0.49 0.53

740 740 740

720 720 720

700 700 700

680 680 680

660 660 660

TR=50 TR=25 TR=100

4058.66

Cuadro 12: Cuadro Resultados Modelación hidráulica sin proyecto Fuente, Hec Ras Elaboración Propia


Figura 32. Perfil Longitudinal del Cauce mediante HEC-RAS - Cauce Natural sin proyecto

Figura 33. Vista Tridimensional del Río Arma del tramo evaluado - Cauce Natural sin proyecto


Figura 34. Perfil de Velocidades y Número de Froude

A continuación se presenta algunas secciones re presentativas de la modelación.

Figura 35. Sección 0+800














Al realizar la corrida del modelo para un periodo de retorno de 25, 50 y 100 años se pudo advertir velocidades varían según el Cuadro 12:

VARIACION DE VELOCIDAD TR (Años)

Velocidad Velocidad Mín Máx (m/s) (m/s)

25

0.76

2.99

50 100

0.94 1.09

3.30 3.54

Cuadro 13: Variación de la velocidad en el tramo modelado del Río Arma

Los números de Froude varían según el Cuadro 13:

Variacion #Froude TR (Años)

#Froude Mín

#Froude Máx

25

0.20

1.22

50 100

0.23 0.26

1.21 1.20

Cuadro 14: Variación de la velocidad en el tramo modelado del Río Arma

De lo anterior nos indica que predominantemente el río en este tramo se comporta en flujo subcrítico pero con tramos en flujo supercrítico. Los anchos de cauce varían según el Cuadro 14:

Ancho del Cauce TR Velocidad Velocidad (Años) Mín Máx 25

13.71

77.68

50 100

15.35 16.98

81.68 82.22

Cuadro 15: Variación del ancho Río Arma en el tramo de estudio.

Asimismo la velocidad en la sección donde se emplazara la Bocatoma el Vado será en la progresiva 0+740 Km donde la velocidad promedio es de 1.13 m/s ,1.35 m/s ,1.56m/s, y un ancho promedio de 36.55 m, 47.35m y 49.95 m, para Tr=25 años, Tr=50 años y Tr=100 años respectivamente.


A continuación se muestran la Inundación para distintos Periodos de retorno.

Figura 44. Mapa de Inundación Tr=25 años Q=28.20 m3/s.






Finalmente revisando el mapa de inundación y con el analisis en campo sobre las llanura de inundacion (ver Anexo 1) ,se decidio asumir un ancho total del encauzameinto de 35m, este dato servira como dato de entrada, para poder realizar el modelamiento hidraulico con proyecto. Es decir evaluar como se comportan el río con la inclusión de las estructuras adicionales, como los muros el barraje las compuertas y otros.

Figura 47. Emplazamiento Bocatoma Vado de Ancho (b=35 m)

5.1.6. DATA INGRESADA AL HEC-RAS PARA EL MODELO HIDRÁULICO DEL RÍO CON PROYECTO. Los datos ingresados al software ahora son considerando el barraje de Longitud=35 m y de 1.9 m de altura así como también los muros de encauzamiento, las condiciones de frontera aguas arriba y abajo se ha tomado el crítico dado que el río tiene una comportamiento supercrítico naturalmente, por lo tanto, la condición tomada está del lado de la seguridad. Así mismo el modelo de elevación digital se ha tomado de la topografía realizada para este proyecto incorporándole la estructura (barraje de la bocatoma), así como los muros de encauzamiento. Por otro lado creemos que para el modelamiento luego del barraje de la bocatoma (aguas abajo del eje de la bocatoma), para dicho propósito el Hec-Ras no es un modelo turbulento. La ecuación de la energía supone siempre distribuciones hidrostáticas de presiones y la ecuación de fricción permanente de Manning. Por tanto, la solución es una pura simplificación, y no se ajusta a la realidad en casos donde las presiones y las tensiones turbulentas se alejan del modelo lineal. Por ello este análisis con proyecto se hará con una sección de control en el barraje aguas arriba donde sabemos se produce el tirante crítico, solo para analizar el remanso que ocurrirá aguas arriba para


dicho análisis se utilizó un caudal para un Tr=100 años (Q=56.20 m3/s) Según el estudio Hidrológico.

Barraje Proyectado

Figura 48. Geometría Ingresada al Hec-Ras con proyecto

La bocatoma se emplazara en la progresiva 0+00 según el grafico anterior el análisis se hará del barraje aguas arriba, considerando la altura de los muros proyectados.

Muros Gaviones ro ectados

Barraje Proyectado

Muros Proyectado

Figura 49. Vista Tridimensional del Río Arma del tramo evaluado - Cauce con proyecto Fuente: [Software HEC-RAS]


Figura 50. Perfil longitudinal del tramo de estudio para la bocatoma Vado (con proyecto) Fuente: [Software HEC-RAS]

A continuación se muestran los resultados para cada perfil y para tiempos de r etorno de 100, años , donde se relacionan las variables de caudal, cota mínima, cota del nivel de río, cota del nivel de energía, pendiente en el canal, Velocidad en el canal, área de flujo, ancho y numero de Froude. Al realizar la corrida del modelo se pudo advertir velocidades que varían entre 2.87 m/s hasta 0.38m/s, los números de Froude varían entre 0.07 hasta 1.01, lo anterior nos indica que predominantemente el río en este tramo se comporta en flujo subcritico pero con tramos en flujo supercritico. Reach River Sta Profile

Q Min Ch Total El (m3/s) (m)

W.S. Elev (m)

Crit W.S. (m)

E.G. Elev (m)

E.G. Slope (m/m)

Vel Flow Chnl Area (m/s) (m2)

Top Width Froude # Chl (m)

Arma

250 TR=100

56.2

4060.18

4062.07

4062.37 0.013958

2.42

23.22

21.53

0.74

Arma

240 TR=100

56.2

4059.63

4062.04

4062.24 0.006861

1.98

28.34

20.74

0.54

Arma

230 TR=100

56.2 4059.24

4062.06

4062.17

0.00345

1.5

37.38

25.08

0.39

Arma

220 TR=100

56.2

4058.99

4062.04

4062.13 0.003087

1.38

40.74

28.37

0.37

Arma

210 TR=100

56.2

4059.91

4061.86

4062.07

0.00988

2.05

27.42

25.65

0.63

Arma

200 TR=100

56.2 4059.59

4061.85

4061.98

0.00464

1.58

35.57

27.69

0.45

Arma

190 TR=100

56.2

4059.68

4061.84

4061.93 0.002865

1.36

41.29

28.11

0.36

Arma

180 TR=100

56.2

4059.51

4061.82

4061.9 0.002738

1.28

43.84

31.77

0.35

Arma

170 TR=100

56.2

4059.18

4061.8

4061.88 0.002077

1.19

47.37

31.33

0.31

Arma

160 TR=100

56.2

4059.09

4061.8

4061.85 0.001552

1.05

53.74

34.4

0.27

Arma

150 TR=100

56.2

4059.05

4061.79

4061.84 0.001357

0.99

57.04

35.89

0.25

Arma

140 TR=100

56.2 4059.25 4061.78

4061.82

65.88 40.44

0.21

Arma

130 TR=100

56.2 4058.46

4061.78

4061.81 0.000699

0.8

70.58

37.07

0.18

Arma

120 TR=100

56.2

4058.41

4061.77

4061.8 0.000672

0.76

73.74

39.58

0.18

Arma

110 TR=100

56.2

4058.47

4061.77

4061.8 0.000471

0.71

79. 2

35.65

0.15

Arma

100 TR=100

56.2

4058.53

4061.77

4061.79 0.000523

0.73

77.01

36.06

0.16

Arma

90 TR=100

56.2

4058.9

4061.76

4061.79 0.000535

0.71

78.86

39.44

0.16

Arma

80 TR=100

56.2 4058.97

4061.76

4061.78 0.000378

0.6

93.36

45.83

0.13

Arma

70 TR=100

56.2 4058.29

4061.76

4061.78 0.000196

0.49

115.09

47.53

0.1

Arma

60 TR=100

56.2

4058.02

4061.76

4061.77 0.000202

0.49

115.07

48.49

0.1

Arma

50 TR=100

56.2

4058.59

4061.76

4061.77 0.000185

0.46

123.23

52.21

0.09

Arma

40 TR=100

56.2

4057.89

4061.76

4061.77 0.000145

0.42

132.67

53.03

0.09

Arma

30 TR=100

56.2

4057.5

4061.76

4061.77 0.000108

0.39

144.48

51.82

0.07

Arma

28 TR=100

56.2

4057.49

4061.76

4061.77 0.000114

0.39

144.03

53.87

0.08

Arma

20 TR=100

56.2 4057.48

4061.76

4058.9 4061.77 0.000094

0.38

148.21

48.2

0.07

4061.76

0.42

133.99

43.83

0.08

0.00 0.48 116.20 35.00

0.08

Arma

14 TR=100

56.2

Arma

10 TR=100

56.2 4057.31 4061.75 4058.95 4061.76

Arma

0.5 TR=100

Arma

0

4057.38

4059.33

56.2 4057.46

4061.75

4058.92 4059.09

0.00 0.85

4061.77 0.000115 4061.76 0.000154

0.49

Barraje

Cuadro 16: Cuadro Resultados Modelación hidráulica con proyecto Fuente, Hec Ras Elaboración Propia

114.87

35

0.09


Se puede apreciar la necesidad de muros de hasta ala progresiva 0+140 debido al remanso producido, a continuación se presenta algunas secciones representativas de la modelación.













6.

HIDRÁULICA DE LA CAPTACIÓN

6.1. CAUDAL DE DISEÑO Según la revisión del estudio de factibilidad y el estudio hidrológico para la acreditación de la disponibilidad hídrica superficial para el proyecto “MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA SUBCUENCA DEL RÍO ARMA, CONDESUYOS - AREQUIPA” “… el balance hídrico a nivel de las microcuencas en situación CON PROYECTO, existen déficit hídricos generalmente en los meses de estiaje con un volumen de 35.55 MMC/año, los cuales serán cubierto con la reserva de recursos hídricos otorgada mediante la Resolución Jefatural N° 1482013-ANA a favor del Proyecto Especial Majes Siguas – AUTODEMA del Gobierno Regional de Arequipa, del agua superficial proveniente del río Arma – Sección El Vado, por un volumen anual de hasta 154.22MMC. … De acuerdo a los resultados del balance hídrico, se ha determinado los caudales de diseño de canales principales para cada módulo de riego, a continuación se presenta lo siguiente: 

Canal madre desde la Bocatoma El Vado hacia los módulo de riego = 2.49 m3/s.”

(Fuente: Factibilidad)

También se ha revisado la RESOLUCIÓN JEFATURAL N° 123-2015-ANA, el cual indica lo siguiente:

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre Vol.(MMC)

18.95

20.21

21.64

Días

31

28

31

30

31

8.354

8.079

6.59

6

Caudal (m3/s) 7.075

17.08 16.07 14.63 14.79 30

31

5.644 5.522

14.62

14.09

14.79

14.32

15.62

31

30

31

30

31

5.458

5.436

5.522

5.525

5.832

Cuadro 17: Caudales de la reserva hídrica.

En este punto cabe indicar que se ha diseñado las ventanas de captación para un caudal un caudal medio de 5.436m3/s, con lo cual se asegura la captación de 2.49m3/s del estudio de factibilidad. Así también debería por lo menos evaluarse una captación máxima de 8.354m3/s en tiempos de avenida. Esto no debe extrañarnos, dado que las estructuras hidráulicas deben siempre estar preparadas para un amplio rango de valores, caso proyectos especiales como Majes Siguas I, en el cual, las obras de trasvase hasta Querques está siendo utilizada a menos de su 50% de su capacidad. Aquí es importante aclarar que este ítem no debería ser juzgado como un sobredimensionamiento de la estructura, dado que normalmente el costo de una bocatoma y sus obras conexas, está mayoritariamente relacionado con el caudal máximo de diseño. Elementos estructurales como el barraje, los muros de encausamiento, la poza de disipación, las compuertas de la despedradora, desgravadora y desripiadora, la caseta de control y el sistema de compuertas automatizadas, representan el 90% del costo de la bocatoma. Finalmente entonces el diseño de la bocatoma estará preparado para captar 5.436m3/s, cubriendo el caudal solicitado de 2.49m3/s en el estudio de factibilidad. Aquí es importante aclarar que este


proyecto está enmarcado solo para captar a 2.49m3/s, ya que, algo diferente no está dentro de las atribuciones del especialista del diseño de Bocatoma el Vado y Desarenador. 6.2. CÁLCULO DE LA VENTANA DE CAPTACIÓN La ventana de captación ha sido emplazada en la margen izquierda del cauce del río Arma, con un ángulo de inclinación de 21° respecto a la dirección principal del río, esto es conveniente, tanto para acortar la longitud necesaria para llegar a terreno alto como para mejorar las condiciones hidráulicas de entrada. Dichas ventanas estarán ubicadas en la cota 4059.50 m.s.n.m a una altura de 1.20 m del piso del canal de limpia como mínimo. Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar del proyecto. El caudal a derivar en el río Arma es de 2.49 hasta 5.5 m3/s, la captación se realizara mediante la proyección de 3 ventanas de captación distribuidas en serie, las cuales demandaran un consumo interno de agua debido al proceso de limpieza en continuo del canal desrripiador , se considerara un 10% del caudal a derivar. Por tanto el caudal realmente captado es de 6.00 m3/s, como resultado se derivara realmente 5.50 m3/s, de caudal captado y el caudal a devolver al río seria 0.50m3/s. El cálculo de la longitud de la ventana se realizó en base a las consideraciones hidráulicas a partir de la expresión para vertederos de cresta ancha, considerando un coeficiente de vertedero de 1.84. La longitud total de la ventana de captación fue calculada en 6.6 m. Así mismo en la ventana se adoptó un espesor de barrotes de ½” y una separación entre estos de 0.15 cm, que impedirán la entrada de cuerpos solidos que puedan ser arrastrados por el río .Previendo la obstrucción de la rejilla por arrastre y acumulación de material flotante y en suspensión y una velocidad de entrada de 0.70 m/s. Uno de los principales propósitos del proyecto es construir infraestructuras que sean funcionales en épocas de estiaje y en las avenidas máximas; de acuerdo a este criterio se han proyectado un barraje fijo capaz de represar el agua y poder derivar el caudal de diseño hacia el canal de conducción. En época de estiaje se tiene que garantizar el tirante recomendado. 6.2.1. PRE DIMENSIONAMIENTO DE LA VENTA DE CAPTACIÓN El ancho mínimo de la ventana de captación estará gobernada por: A 

Be 

Q

d

V d

Q d s  t  V e he s

Qd= Caudal a captar = 6.00 m3/s. Vd= velocidad sobre el umbral de entrada = 0.70 m/s. (recomendable) s= Espaciamiento entre las barras de la rejilla= 0.15 m. t= Espesor de la barra de la rejilla= ½” Resolviendo: Be 

6 . 20 m


Se ha considerado un ancho total de 6.6 m distribuidos en tres ventanas de 2.2 m; de esta manera se cumple con el ancho mínimo. Para el cálculo de la ventana captación usaremos la fórmula de vertedero Q  c  L  h 3 / 2

Dónde: L = Ancho de la ventana (m). Q = Caudal (m3/s). c = Coeficiente de vertedero. h= Altura de carga sobre el vertedero (m). El ancho efectivo de las ventanas de captación será asumido como 6.6 m y el coeficiente c como 1.84, entonces tendríamos:

 Q  h   c  L 

2/3

 6.00     1.84  6.6 

2/3

 0.62m

La altura final asumida será de 1.0 m, es importante recordar que existirá compuertas que regulara el caudal de captación. A continuación se muestra cómo quedaría la arquitectura de la ventana de captación.

Figura 59. Esquema de las ventanas de captación

6.3.

DISEÑO DEL BARRAJE - VERTEDERO La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener el tirante de agua en el río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal de derivación. También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta. Es lógico que el nivel de la cresta dará la carga suficiente para derivar el caudal diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma. En este momento es importante indicar que el canal de limpia y el barraje fijo serán los que conducirán el caudal de máximas avenidas por lo tanto: Qmax  Qdiseño  Qvertedero  Qcl

Donde Qvertedero es el caudal conducido sobre de barraje fijo y Qcl es el caudal conducido por el canal de limpia, ahora bien, en el canal de limpia podrían pasar dos condiciones bien definidas ser


calculado como vertedero es decir que el agua pase por encima de la compuerta o como compuerta donde el agua pasara por debajo de la tarjeta metálica. La bibliografía revisada recomienda que se realice el cálculo cuando el canal de limpia está totalmente abierta. Sin embargo en la opinión del consultor se hará un estudio de las dos situaciones antes mencionadas. En concordancia con el párrafo anterior atacaremos la primera situación, para ello propondremos una distribución del ancho del encausamiento de 35.00 m, el canal de limpia asumiremos un ancho total de 5.10 (canal despedrador=3.50 y canal desgravador=1.60m), por lo tanto quedaría para el barraje un ancho de 28.00m, así mismo, debemos tener en cuenta los muros con un ancho de 1m.

Figura 60. Distribución en planta Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma)

Figura 61. Distribución del Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma)


Figura 62. Distribución en planta del Ancho de encauzamiento (Bocatoma Arma)

Con un caudal de 41.20 m3/s según el estudio hidrológico, a un periodo de retorno de TR = 50 años

 Q  h   c  L 

2

 41.20  h   2.0  29 

2

h  0.79m

Propondremos una altura de carga de agua sobre el vertedero de 0.80m, con ello obtendríamos una descarga de la siguiente manera: 3/ 2

Qvertedero  C  L  H

1.5

 2.00  29.00  0.80

 41.50

m

3

s

Para el flujo sobre la compuerta en el canal de limpia (canal despedrador y canal desgravador) tenemos:


3/ 2

Qcl  C  L  H

 1.83  5.10  0.80

1.5

 6.68

m3 s

Por lo tanto se comprueba la desigualdad: Qmax  Qdiseño  Qvertedero  Qcl  41.50  6.68  48.18

m

3

s

Ahora realizaremos el cálculo con la suposición que las compuertas están totalmente abiertas y funciona como compuerta. Es también importante mencionar que bajo el supuesto que sobre el vertedero existe una carga de agua de 0.80.m realizaremos los cálculos la compuerta. Para ello se ha utilizado el software H-CANALES del Ing. Máximo Villón obteniendo lo siguiente:

Figura 63. Cálculo del caudal que pasaría por la compuerta totalmente abierta

Por lo tanto tenemos que: Qmax  Qdiseño  Qvertedero  Qcl  48.18  27.96  69.46

m3 s

Puede observarse que en cualquiera de los dos casos antes mencionados se cumple con la conducción del caudal máximo de diseño, según opinión del diseñador el caso más crítico es cuando la compuerta del canal de limpia (canal despedrador y canal desgravador) se comporta como vertedero, ya que no se puede asegurar que siempre ante una avenida este abierto por completo en el suceso de una avenida máxima. Sin embargo, en el manual de operaciones se debe considerar que ante una máxima avenida la compuerta de limpia este siempre abierta por completo.


Obtenida la longitud del Barraje y el tirante de la carga de agua podemos calcular la forma de la cresta del barraje. Dicha cresta deberá evitar la presencia de presiones negativas que podrían generar cavitación que cause daños al concreto. Para este proyecto en particular utilizaremos las formulas del W.E.S (U.S. Army Engineers, Waterways Experiment Station) para el dimensionamiento preliminar.

Figura 64. Geometría de la cresta del vertedero (Fuente: Ven Te Chow)

Con las ecuaciones y relaciones antes descritas se procederá a calcular y dibujar el perfil Creager al pie del talud se tomara en cuenta una circunferencia de radio H/2. Dicha circunferencia será tangente a una línea horizontal y tangente a la ecuación. Se adoptó esta forma inclinada aguas arriba con un talud 3:2 desplazamiento por el barraje del sedimento producido por la cuenca.

1.810

X

0.810

 1.939  H d

X 1.810  1.618  Y

 Y

debido a que facilita el

ELABORACIÓN DE EXPEDIENTE TÉCNICO: COMPONENTE BOCATOMA EL VADO Y DESARENADOR PROYECTO: “MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DE LA FRONTERA AGRÍCOLA OPTIMIZANDO LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA SUBCUENCA DEL RÍO ARMA, CONDESUYOS‐AREQUIPA” X

Y

X

Y

0.050

‐0.003

1.650

‐1.530

0.100

‐0.010

1.700

‐1.614

0.150

‐0.020

1.750

‐1.701

0.200

‐0.034

1.800

‐1.790

0.250

‐0.050

1.850

‐1.881

0.300

‐0.070

1.900

‐1.975

0.350

‐0.092

1.950

‐2.070

0.400

‐0.118

2.000

‐2.167

0.450

‐0.146

2.050

‐2.266

0.500

‐0.176

2.100

‐2.367

0.550

‐0.209

2.150

‐2.470

0.600

‐0.245

2.200

‐2.575

0.650

‐0.283

2.250

‐2.681

0.700

‐0.324

2.300

‐2.790

0.750

‐0.367

2.350

‐2.901

0.800

‐0.413

2.400

‐3.014

0.850

‐0.460

2.450

‐3.128

0.900

‐0.511

2.500

‐3.245

0.950

‐0.563

2.550

‐3.363

1.000

‐0.618

2.600

‐3.484

1.050

‐0.675

2.650

‐3.606

1.100

‐0.734

2.700

‐3.730

1.150

‐0.796

2.750

‐3.856

1.200

‐0.859

2.800

‐3.984

1.250

‐0.925

2.850

‐4.113

1.300

‐0.993

2.900

‐4.245

1.350

‐1.064

2.950

‐4.378

1.400

‐1.136

3.000

‐4.513

1.450

‐1.211

3.050

‐4.651

1.500

‐1.287

3.100

‐4.789

1.550

‐1.366

3.150

‐4.930

1.600

‐1.447

3.200

‐5.073

Figura 65. Geometría curva aguas abajo barraje (Fuente elaboración propia)

Pág.71

Ing. Jorg e Hilario Quill a (Cel. 994604595) Email: jorgehilarioquil [email protected]


Figura 66. Geometría final barraje fijo

6.3.1. DISEÑO DE SOLADO O COLCHÓN DISIPADOR Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento de energía potencial, entonces, al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen estructuras de disipación, conocidas como: solados, colchón disipador etc., que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra disipar la energía c inética ganada por el barraje vertedero. A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del colchón disipador y de los tirantes conjugados (d1 y d2) necesarios para la formación apropiada del salto hidráulico.

Figura 67. Geometría de la cresta del vertedero (Fuente: Mansen)

Aplicando la ecuación de energía entre los puntos 0-1 tenemos: 2   V 0   V 1  2 g  r  P  H  d 1  hf 01    2g  

Hallando

V 0

V 0 

Qvertedero H  L

41.50 

m3 s

0.80m  29.00m

 1.79

m s


Para la ecuación anterior se considerara que la pérdida de carga entre los puntos 0-1 será hf 01  0.1

V H

2

2g

y r está entre 0.5m-1m, por otro lado de la ecuación de continuidad tenemos

la siguiente relación: V 1 

Qvertedero A1



Qvertedero d 1  Lbarraje

De donde d 1 

Qvertededer o V 1  Lbarraje

Finalmente tenemos: d 1 

Qvertededer o 2  V 0     Lbarraje 2 g   r  P  H  d 1  0.9  g 2  

De la ecuación anterior podremos obtener el tirante de agua d 1 , esto resolviendo una ecuación implícita. d 1 

41.50  1.79 2    29.00 2  9.81   0.0  3.2  0.80  d 1  0.9 2  9.81   d 1  0.16m 3

V 1 

Qvertedero H  L

41.50 

m

s

0.16m  29.00m

 8.84

m s

Ahora es momento de determinar el tirante conjugado: d 2  

d 1

2



d 1

4

 2v1

2

d 1 g



0.16 0.16 0.16   2  8.84 2   1.54m 2 4 9.81

Se puede advertir que la velocidad presentada en la base del colchón disipador es de 8.84 m/s que produciría erosión sobre un conceto de baja resistencia, por ello se proyectara dicho concreto con una resitencia minima de 350 kg /cm2.


Longitud de la poza disipadora se determinara según la metodología del U.S. Bureau of Reclamation , Bakhmetev-Maztke,etc.

Figura 68. Grafico para determinar la longitud del resalto.

Con el número de Froude F  L d 2

8.84  7.02 se entra al grafico anterior y se determina 9.81  0.16

 6.18 , finalmente determinamos L  6.18  1.54  9.50m .

L  5  (d 2  d 1) Longitud de poza (Bakhmetev-Maztke) L  5  (1.54  0.16) L  6.88m L  2.5  (1.9  d 2  d 2 )

Longitud de la Poza (Pavloski, 1937) L  2.5  (1.9  1.54  0.16) L  6.90m

L  10.3  d 1 (( F  1) 0.81 ) Longitud de la Poza (Chertousov, 1935) L  10.3  0.16  ((7.02  1) 0.81 )

L  7.13m

En este proyecto en particular asumiremos una longitud de la poza de L  9.00m


Figura 69. Grafico Poza disipadora

6.4. DISEÑO DEL CANAL DE LIMPIA El Canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, se suele recomendar pre dimensionarla como la décima parte del ancho estable del rio, dicho canal permitirá eliminar el material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río. El Canal de limpia estará conformado por 2dos canales que se encargaran de evacuar todo el material (Piedras, gravas), acarreado por el río, a su vez está compuesta por un canal despedrador y un canal desgravador. Asumiendo un ancho total de 5.10m preliminarmente que se distribuirá en LD=3.5m para el canal despedrador y Ld=1.6m para el canal desgravador. Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del rió (Según A. Mansen) en este caso asumiremos igual al caudal medio del rio. Qm  6.25

m3 s

,

De la RESOLUCIÓN JEFATURAL N° 123-2015-ANA ( Caudales de la reserva hídrica), sacando el caudal medio). En cuanto al caudal utilizado para su diseño de cada canal, se tomó en proporción al ancho de ambos canales obteniendo Q D  4.30

m3 s

y Qd  1.95

m3 s

6.4.1. CANAL DESPEDRADORA Según A. Mansen L D 

q

QD q

V D

3

g

Dónde: L D : Ancho del canal de despedrador. En metros. Q D q

: Caudal a discurrir en el canal despedrador para eliminar el material de arrastre. En m3/s : Caudal por unidad de ancho, en m3/s/m.


V D g

: Velocidad en el canal despedrador para eliminar el material de arrastre. En m/s. : aceleración de la gravedad. En m/s2. m3

Q D  4.30

s

Figura 70. Relación entre velocidad requerida para el arrastre y el tamaño del grano

C  3.50 d  0.20m V D  1.50  3.50 

V D  2.35

0.20.5 

m s

Asumiendo una velocidad requerida para iniciar el arrastre V D  2.35 q

3

2.35 9.81

q  1.32 El ancho es: L D 

4.30 1.32

L D  3.25m

m s


Asumimos ancho del Canal despedrador L D  3.50m

Pendiente del canal despedrador Rugosidad debido a la presencia de piedras en el fondo puede tomarse como igual a n = 0.025.

I D  n 2 

10 g9 2 9 q

I D  0.0252 

10 9

9.81

1.32

2 9

I D  0.008

Como la pendiente es suave Asumimos una pendiente de 1.5%

6.4.2. CANAL DESGRAVADORA Según A. Mansen Ld 

Qd q 3

q

V d g

Dónde: Ld : Ancho del canal de despedrador. En metros. Q d q

: Caudal a discurrir en el canal despedrador para eliminar el material de arrastre. En m3/s : Caudal por unidad de ancho, en m3/s/m.

V d : Velocidad en el canal despedrador para eliminar el material de arrastre. En m/s. g : Aceleración de la gravedad. En m/s2.

Qd  41.95

m3

C  3.50 d  0.20m

s


V D  1.50  3.50  V D  2.35

0.2 0.5 

m s

Asumiendo una velocidad requerida para iniciar el arrastre

V D  2.35

2.353 q 9.81

m s

q  1.32

El ancho es: Ld 

1.95 1.32

Ld  1.49m

Asumimos ancho del Canal desgravador Ld  1.60m

Pendiente del canal desgravador Rugosidad debido a la presencia de piedras en el fondo puede tomarse como igual a n = 0.025.

I D  n 2 

10 g9

I D  0.0252 

2 q9 10 9

9.81

1.32

2 9

I D  0.008

Como la pendiente es suave Asumimos una pendiente de 1.5%


6.5.

DISEÑO DEL SISTEMA DE DERIVACIÓN

6.5.1. ESTRUCTURA DE INGRESO 6.5.1.1. ANGULO DE DERIVACIÓN De acuerdo a las restricciones topográficas aguas abajo de la estructura derivadora, se ha visto conveniente que la toma sea a 90° para facilitar el ingreso. La pérdida de carga por cambio de dirección será:

 v 2  h d  0 . 40  o  2  g

   

6.5.1.2. UMBRAL Y REJILLA INICIAL Para evitar el ingreso de sólidos de fondo a la estructura colectora se empleará umbral de 2.35 m; este criterio ha sido tomado de acuerdo al tipo de material de arrastre del río; asimismo, para controlar el ingreso de los sólidos grueso de arrastre y los materiales flotantes, se dispone de una rejilla metálica primaria. Las pérdidas de carga por ingreso estará dado por:  v 2  h e  0 . 30  o  2  g

Figura 71. Estructura de derivación

   


Figura 72. Vista 3D Estructura de derivación

6.5.1.3. REJILLA DE LIMPIEZA Evaluando las características de los materiales flotantes, se ha proyectado una rejilla de barras cuadradas (β=2.42). Las barras serán de e=1/2”, separadas 0.15 m. entre ejes. Lo más importante en este sistema es calcular la pérdida de carga que ocasionará:

Figura 73. Flujo a través de rejillas

 h r

   s         b  

4 3

 v2   sin     2g 

 : Coeficiente de acuerdo a la forma de barra.  : Angulo de inclinación de la pantalla. t : Ancho del barrote de la rejilla.

(Fórmula de Kirdchmer)


b : Distancia entre barrotes.

6.5.1.4. VENTANA DE CAPTACIÓN 6.5.1.4.1. CANAL DE ACCESO El canal de acceso tendrá un ancho inicial igual a (7.5 m) y un ancho final de 3.50 m; presentará una curva de radio central de 6.50 m; este ancho fue tomado en función al ancho de la capacidad de las compuertas reguladoras para abastecer el caudal de derivación. La fórmula práctica para pérdidas de carga por curvatura está dado por: 2 V 1  0.006  A  hc     h R 2  g   

h = tirante promedio ≈ 1.30 m. A = ancho del canal = 7.50m.

R = radio de curvatura medio = 6.50 m.

6.5.1.5. ESTRUCTURA DE PURGA (DESRRIPIADOR) Diseñaremos está componente de la bocatoma en función de generar una velocidad que permita un arrastre del material que pudiera ser decantado, para lo cual es necesario dar una fuerte pendiente paralela al flujo en el río; pero esto está limitada por la cota de salida que le permite al río. El ing Alfredo Mansen Valderrama en su libro diseño de bocatomas recomienda que dicha pendiente sea mayor a 2% Para este proyecto asumiremos una pendiente S  3 % , un ancho de 1.5 m y n  0 . 025

Figura 74. Estructura de purga y limpieza


6.5.1.5.1. CALCULO DEL ANCHO DE LA CÁMARA DESRRIPIADORA

Figura 75. Ancho de Desrripiador (purga y limpieza)

E 0  Y 0  H 0 

V 0

2

2g

Velocidad de acercamiento A0  ( H 0  Y 0 )  B A0  (1  0.85)  6.6 A0  5.61m 2 V 0 

QCanal

V 0 

A0

5.5 5.61

V 0  0.98

m s

0.982 2  9.81

E 0  0.85  1.00  E 0  1.89m E 0  E 1  E 2 E 1  Y 1  H 1 

V 1

2

2 g

5.152 E 1  0.15  2  9.81


5.152 E 1  0.15  2  9.81 E 1  1.89m Y 2  

Y 1

2



Y 1

4

 2v1

2

Y 1 g



0.15 0.15 0.15   2  5.15 2   0.90m 2 4 9.81

Longitud del resalto según Pavlovski L  2.5  (1.9  Y 2  Y 1 ) L  2.5  (1.9  0.90  0.15) L  3.9

Asumimos:

L  4.00m Diseño del canal de evacuación del canal desrripiadora

Figura 76. Canal de evacuación del desrripiador

6.5.1.5.2. PRE DIMENSIONAMIENTO COMPUERTA CANAL DE DESRRIPIADOR. La fórmula general para la descarga en compuertas y orificios está dado por: Q  C  A  A 

2  g  h Q

C 

2  g  h

Q = Caudal de diseño; para asegurar el arrastre de material se debe considerar por lo menos el

50% del caudal derivador  3.00

m3 s

C = Coeficiente de Descarga = 0.90

A =Área de la abertura de la compuerta


g = Aceleración de la gravedad  9.81

m s

.

= Tirante aguas arriba de la compuerta = y0 (descarga libre); diferencia de tirantes entre aguas arriba y aguas abajo  y 0  y1 (descarga sumergida). Para fines de cálculo de área se asume

 0.10m . Amin 

3.00  2.18m 2 0.90  2  9.81 0.10

Asumimos una compuerta de 1.5 mx1.8m

6.5.1.5.3. COMPROBACIÓN DEL CAUDAL EN EL PRIMER INSTANTE EN QUE LA COMPUERTA DESRRIPIADORA SE ABRE. Se tiene que comprobar que en el primer instante en que la compuerta se abre, tenga una capacidad mayor a 5.50 m3/s, para que el desripiador pueda vaciarse hasta un tirante de 1.00 m, que se tiene para el canal desrripiador. Q  K  e  a  b 



2  g   H  

  e  a  2 g  V 2

b =1.50 m (ancho desrripiador).

K =0.97

varia de 0.95 a 0.97.

a =1.00 m H =1.80 m a H

=0.55

Si V =0

  02 Q  0.97  0.645  1.0  1.5  2  9.81  1.80   0.65  1 2  9.81   Q  6.00

m3 s

> Q  5.50

m3

Ok

s

Con ello se comprueba que al abrir la compuerta del desrripiador su canal puede evacuar un caudal mayor al captado


6.5.1.6.

ESTRUCTURA DE REGULACIÓN

6.5.1.6.1. COMPUERTAS DE REGULACIÓN Es necesario que el área de la compuerta sea igual o mayor al área hidráulica de la sección aguas abajo, para evitar pérdidas de carga. El área necesaria de la ventana de la compuerta se calcula mediante: A 

Q C 

2  g  h

Donde C=0.90 para compuertas verticales deslizantes, se asume son únicamente para cálculo de área requerida), entonces: Amin 

=0.10 m. (los valores asumidos

6.00 =4.76 m2 0.90  2  9.81 0.10

Las compuertas de regulación (2 unidades) se disponen en serie o en paralelo; de esta manera, es posible realizar el mantenimiento y/o reparación en casos de emergencia. Sin duda, el sistema en paralelo permita que mientras una se encuentre en reparación, la otra pueda seguir dotando de recurso hídrico. De lo mencionado, asumiremos dos compuertas de 3.3m2 cada una dispuestas en paralelo. Si bien es cierto, las compuertas abiertas en su totalidad satisfacen el caudal a derivar, pero es de necesidad calcular el gasto que pasa por ellas en función a la altura de abertura (s). Q  C  A 

2  g  h

Figura 77. Flujo bajo Compuerta

C = Coeficiente de Descarga

A =Área de la abertura de la compuerta g = Aceleración de la gravedad


= Tirante aguas arriba de la compuerta = y 0 (descarga libre); diferencia de tirantes entre aguas arriba y aguas abajo = y 0  y1 (descarga sumergida). Se procede a calcular el caudal mediante iteraciones:

Figura 78. Coeficientes de descarga y de contracción para flujo bajo compuerta

Abertura de Compuerta 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20

Area Libre (m2) 0.00 0.22 0.44 0.66 0.88 1.10 1.32 1.54 1.76 1.98 2.20 2.42 2.64

S/ho

C

Q (m3/s)

0.00

0.60

0.00

0.08

0.61

0.19

0.17

0.62

0.38

0.25

0.63

0.58

0.33

0.63

0.78

0.42 0.50

0.64 0.64

0.98 1.18

0.58

0.66

1.42

0.67 0.75

0.68 0.70

1.68 1.94

0.83

0.73

2.25

0.92

0.78

2.65

1.00

1.00

3.70

Cuadro 18: Caudal de descarga bajo una compuerta.


Considerando las 2 compuertas de 2.2  1.2 m cada una, tendríamos trabajando como orificio un caudal de 3.70  2  7.40

m

3

s

, caudal que podría ingresar en una máxima avenida.

6.5.1.6.2. ALTURA DE COMPUERTAS DE REPRESAMIENTO Para el cálculo de los tirantes a lo largo de la estructura derivadora se aplica reiteradamente el teorema de Bernuolli y el principio de continuidad, fundamentalmente para el gasto máximo la toma.

en

El análisis deberá comenzar de aguas abajo a aguas arriba para ir conociendo la línea de energía que estará en función de las pérdidas de carga ocasionadas por las estructuras de regulación, limpieza, transiciones, etc. De acuerdo a este criterio y evaluando el perfil longitudinal del sistema de derivación procedemos al balance de energías según el siguiente gráfico:

Figura 79. Planta estructura de derivación

Figura 80. Perfil estructura de derivación


 Características del canal de conducción (sección 4):

De acuerdo al diseño hidráulico, el canal de conducción presenta las siguientes características: Q(m3/s)

B(m)

z

S(m/m)

n

Y(m)

V(m/s)

F

5.5

3.5

0

0.0005

0.016

1.35

1.17

0.32

Cuadro 19: Cuadro de parámetros hidráulicos de canal de conducción principal.

Figura 81. Parámetros Hidráulicos del canal de conducción principal.

 Balance de Energía entre 3 y 4: 2

d 3 

V 3

2g

2

 d 4 

V 4

2g

 h  h p  hC

h = Pérdidas de carga por compuerta. co

h p = Pérdidas de carga por pilar  0.15  (

v3

2

2 g

)

= pérdida de carga por curvatura, según Boussinesq:

hc 

0.006

Entonces:

h



A V 1 R



2

2 g

hc  0.0034 

V 3

2

2 g

= tirante promedio ≈ 1.30 m. = ancho del canal = 5.50 m. = radio de curvatura medio = 9.88 m

co


Muchas veces el nivel superior de la ventana de la compuerta se ubica por encima del tirante calculado aguas abajo (sección 3), para así evitar que la compuerta trabaje como Compuerta de Control de flujo por debajo (compuerta de orificio) originando pérdidas de carga. Para lograr este propósito ( ) es necesario que el área de la compuerta sea igual o mayor al área hidráulica de la sección aguas abajo. De acuerdo a lo mencionado podemos asumir d 3 

v3

2

2 g

 d 4 

v4

2

2 g

 0.15  (

2

v4

2

2 g

)

2

2

v v 1.17 2 d 3   1.35   0.15( 3 )  0.0034( 3 ) 2g 2g 2g 2g v3

d 3  0.84 

V 3

2

2 g

 1.63m ,

por continuidad:

Remplazando valores obtenemos:

→

V 3 

Q



b3  d 3

d 3  1.41m V 3  0.52

m s

 Balance de Energía entre 2 y 3:

d 2 

v2

2

2 g

= pérdida de carga por entrada  0.3 = Pérdidas de carga por pilar  0.15

 d 3 

v0

v3

2

2 g

 he  h p

2

2 g v0

2

2 g

= 0.09 m. 2

2

2

v v 0.45 2  0.09  1.63   0.30 2  0.15 2 d 2  2g 19.62 2g 2g v2

2

d 2  0.028  V 2  1.32 d 2  1.77 m →

V 3  0.42

Por continuidad: m


s

V 2 

Q b2  d 2



5.50 7.5  d 2

5.50 7.45  d 3


d 2 

v2

2

2 g

v1

  z   d 1 

2

2 g

Z 1  0.11m

d 1 

v1

2

2 g

 0.11  1.33 

0.55 2 19.62

2

d 1  1.0  V 1  1.45 d 1  1.41m →

V 1  0.52

m s


d 0 

v0

2

2 g

 d 1 

v1

2

2 g

 hd  hr  he  h p

hd = Pérdida de carga por cambio de dirección  0.40

V 0

2

2 g

hr = Pérdida de carga por rejilla + 0.05 (elementos flotantes) he = pérdida de carga por entrada  0.3 h p = Pérdidas de carga por pilar  0.15

V 0

2

2g V 0

2

2 g

 = ángulo de derivación = 90º

2 2 2 2 v0 v0 v0 v0 0.54 2  1.50  1.33   0.4  0.089  0.15  0.30  0.15 d 0  2 g 19.62 2 g 2g 2 g 2g

v0

2

2

d 0  0.06  V 0  3.05

d 0  2.93m

La altura final del barraje fijo será: H  3.20m

6.5.1.7. CANAL DE CONDUCCIÓN Inmediatamente después de la estructura de derivación, se dispondrá de canal de conducción rectangular; será de concreto armado de f’c=210 kg/cm2. Considerando un caudal de conducción de 2.50 m3/s en una primera etapa, pero se proyectara para un escenario futuro de 5.5 m3/s,


pendiente de 0.0005 y buscando la máxima eficiencia hidráulica, se considera un ancho de 3.5 m. La altura del canal es variable en función a la topografía. En la ingeniería práctica el diseño de canales se considera en flujo uniforme, siendo la fórmula más empleada la de Manning: 2

Q

A  R

a

1  S 2

n

Q = caudal (m3/s) A = área de la sección transversal. R = radio hidráulico. S = pendiente n = coeficiente de rugosidad según Kutter, Manning ó Cowan.

Las características hidráulicas se presentan en el siguiente cuadro:

Q(m3/s)

B(m)

z

S(m/m)

n

Y(m)

V(m/s)

F

5.5

3.5

0

0.0005

0.016

1.35

1.17

0.32

Cuadro 20: Características Hidráulicas del Canal de Conducción

Figura 82. Canal de conducción


6.5.1.8. VERTEDERO DE DEMASÍAS Un vertedero es una simple abertura sobre la cual fluye un líquido; los vertederos pueden clasificarse de diferentes maneras según su forma, el espesor de la pared, el tipo de descarga y contracciones. Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los caudales de exceso a eliminarse, se originan por fallas de control en las estructuras de represamiento (bocatoma); estos excesos deben descargar con un mínimo de obras de arte, buscando en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales. En condiciones normales (sin presencia de obras de arte adicionales), se considera el nivel de corona del aliviadero igual al tirante normal del caudal de diseño (Q=2.5 m3/s y Q=5.5 m3/s), tirantes superiores serán evacuados por la estructura de control de demasías.

En este Proyecto Se dispondrá de aliviadero lateral de demasías entre las progresivas 0+004 – 0+012 para aliviar el excedente que podría ingresar en una avenida hasta regularla a 2.5

m3 s

,

en una primera etapa y posteriormente incrementar la altura del vertedero de demasías para un escenario futuro teniendo en cuenta la reserva aprobada con un Q  5.5

m3 s

.

Longitud

La longitud del vertedero según Weisbach recomendado por el manual de diseños Hidráulicos del ANA:

3 2 Q  u   2  g  L  h 2 3

Q = Caudal a Evacuar (m3/s) L = Longitud del vertedero (m) h = Carga sobre la cresta del vertedero (m), Considera 60% del borde libre.

 = coeficiente de descarga


Cuadro 21: Coeficiente de contracción en aliviaderos

Las condiciones de flujo que existirá en el vertedero lateral será de flujo subcrítico, la variación de niveles entre el caudal máximo de entrada ( 9.25 ( 6.75 Para

m

m3 s

) y el caudal de salida ( 2.50

3

s

2.5

). m3 s

el caudal a evacuar

y n  0.78m h  0.6  (1.98  0.78)

Q  6.75m3 / s

y máx  1.98m h  0.72 3 2 Q  u   2  g  L  h 2 3

2 1 2 6.75  0.55   2.00  9.81 2  L  0.72 3 3

L  6.80m

Asumiremos en este proyecto L  8.00m

m3 s

) es de


Figura 83. Planta – aliviadero de demasías

Figura 84. Sección transversal corte 1-1 - aliviadero




6.6. SOCAVACION GENERAL DEL CAUCE. La socavación que se produce en un río no puede ser calculada con exactitud, solo estimada, muchos factores intervienen en la ocurrencia de este fenómeno, tales como: 

El caudal.



Tamaño y conformación del material del cauce.



Cantidad de transporte de sólidos.

La socavación general del cauce, es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida debido al efecto hidráulico de un estrechamiento de la sección; la degradación del fondo de cauce se detiene cuando se alcanzan nuevas condiciones de equilibrio por disminución de la velocidad a causa del aumento de la sección transversal debido al proceso de erosión. Análogamente en la explicación anterior se ha supuesto implícitamente que el cauce o encauzamiento es prismático de anchura constante, lo cual no es real en el presente caso.


La profundidad de socavación se determina con el método propuesto por L.L. List Van Lebediev que es para cauces naturales definidos, este método se basa en el supuesto que: la erosión de fondo de detendrá a una profundidad que cumpla la condición: Ve  Vr

Las ecuaciones que se presentan a continuación son una guía para estimar la geometría hidráulica del cauce de un río. Las mismas están en función del material del cauce. Para la determinación de la socavación general se empleará el criterio de Lischtvan - Levediev : La Velocidad erosiva que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo está dado por las siguientes expresiones. 1.18

V e  0.60  g d

V c  0.68  b  d m

 b  H s x 0.28

 H s x

m/seg

suelos cohesivos

m/seg

suelos nocohesivos

V e  Velocidad media suficiente para degradar el cauce en m/seg. g d  Peso volumétrico del material seco que se encuentra a una profundidad Hs. superficie del

agua medida desde la (Ton/m3).

b  Coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se estudia. Ver

tabla N° 3. x  Es un exponente variable que está en función del peso volumétrico gs del material seco (Ton/m3 ). Tirante considerado. a cuya profundidad se desea conocer que valor de Ve se requiere para H S arrastrar y levantar al material ( m ). d m  Es el diámetro medio ( en mm ) de los granos del fondo obtenido según la expresión. d m 0.01 S di pi.

En el cual d i  Diámetro medio, en mm, de una fracción en la curva granulométrica de la muestra total que se analiza Pi  Peso de esa misma porción, comparada respecto al peso total dela muestra. Las fracciones

escogidas no deben ser iguales entre sí.


Figura 87. Esquema Socavación Cauce

6.6.1. CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE LA SOCAVACIÓN EN SUELOS HOMOGÉNEOS: Suelos cohesivos:

  a  H 0  Hs   1.18   0.60  b  g d    5 3

1

 1 x 

Suelos no cohesivos: 1

5   1 x   a  H 0 3  Hs   0.28   0.68  b  d m   

Donde: Q  d

a

5

H m 3  Be  m Qd  Caudal del diseño Be  Ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal. m  Coeficiente de contracción. Ver tabla Nº 1. H m  Profundidad media de la sección= Area/Be. X  Exponente variable que depende del diámetro del material y se encuentra en la tabla Nº2. d m  Diametro medio (mm).


TABLA N° 1 COEFICIENTE DE CONTRACCION, m Longitud libre entre dos estribos

Velocidad media en la sección, en m / seg

10

13

16

18

21

25

30

42

52

63

Menor de 1 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 o mayor

1.00 0.96 0.94 0.93 0.90 0.89 0.87 0.85

1.00 0.97 0.96 0.94 0.93 0.91 0.90 0.89

1.00 0.98 0.97 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91

1.00 0.99 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92

1.00 0.99 0.97 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93

1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96 0.95 0.94

1.00 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96 0.95

1.00 1.00 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97 0.96

1.00 1.00 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98 0.97

1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98

Cuadro 22: Coeficiente de contracción, m

TABLA N° 2 VALORES DE X PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS SUELOS NO SUELOS COHESIVOS COHESIVOS P. especifico qd (T/m3) x dm(mm) x 0.80 0.83 0.86 0.88 0.90 0.93 0.96 0.98 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.24 1.28 1.34 1.40 1.46 1.52 1.58 1.64 1.71 1.80 1.89

0.52 0.51 0.50 0.49 0.48 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28

0.05 0.15 0.50 1.00 1.50 2.50 4.00 6.00 8.00 10.00 15.00 20.00 25.00 40.00 60.00 90.00 140.00 190.00 250.00 310.00 370.00 450.00 570.00 750.00 1000.00

0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19

Cuadro 23: Valores de x para suelos cohesivos y no cohesivos

106 124 200 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99

1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99


TABLA N° 3 VALORES DEL COEFICIENTE b Periodo de retorno del gasto de diseño ( años )

Coeficiente b

2 5 10 20 50 100 500

0.82 0.86 0.90 0.94 0.97 1.00 1.05

Cuadro 24: Valores de Coeficiente b

Datos : Q(TR=100 años)= 56.20

m3 s

. (Estudio Hidrologico) Be  50.00m Ho  3.00m Vm  1.56

m s

Calculo Hs = profundidad de socavación (m) Qd = caudal de diseño Be = ancho efectivo de la superficie de agua Ho = tirante antes de la erosión Vm = velocidad media en la sección m = coeficiente de contraccion. Ver tabla N° 1 gd = peso especifico del suelo del cauce dm = diámetro medio x = exponente variable. Ver tabla Nº 2 Tr = Periodo de retorno del gasto de diseño b =coeficiente que depende de la frecuencia del caudal de diseño. Ver tabla Nº 3 A = área de la sección hidráulica Hm = profundidad media de la sección a =

56.2 50 4 1.56 1 1.38 200 0.26 100

m3/seg m m m/seg Tn/m3 mm años

1 32.95 0.659 2.252

m2 m

Diseño Hidraulico Bocatoma El Vado

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