OPTIMIZACIÓN DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN DEL ACUEDUCTO DE SANDONÁ –NARIÑO
2010
DISEÑO HIDRAULICO 1.
DISEÑO BOCATOMA SUMERGIDA.
Son estructuras empleadas para captaciones de pequeñas cantidades de agua en ríos, en las cuales la lámina de agua se reduce considerablemente. El objetivo de este tipo de estructuras es que se puedan proyectar de tal forma que se acomode al lecho del río, procurando que en épocas de caudal mínimo el agua pase por la rejilla. El agua captada mediante la rejilla localizada en el fondo del río, se conduce a una caja de donde la tubería sale al desarenador. Este tipo de bocatomas constan de lo siguiente: • • • • • •
1.1
Una presa para represar el agua, colocada de manera normal a la corriente. Muros laterales de contención para proteger la presa y encauzar el río. Una rejilla colocada sobre la presa cubriendo la canaleta de aducción. Una canal de aducción colocado dentro de la presa y debajo de la rejilla. Una cámara de recolección de agua situada al final de la canaleta. Un vertedero de excesos dentro de la cámara de recolección, para arrojar al río los excesos de agua que no transporten por la tubería de conducción.
PARAMETRO DE DISEÑO
Localización Localizaci ón Nivel de complejidad complejidad del sistema: Periodo de diseño: Capacidad de diseño:
Municipio Municipi o de Sandoná (Nariño) Medio Alto 25 años Para nivel medio de complejidad
Caudales del Río: Para determinar el caudal de la corriente superficial, se llevaron a cabo mediciones directas en campo. Para ello se aplicó el método de velocidad superficial, debido a que el canal presenta secciones y tramos más o menos constantes y rectos, de forma que se puede asumir un flujo uniforme. Con ayuda de flotadores y establecida una distancia, se determina unos tiempos para calcular la velocidad superficial. Conocida la sección hidráulica del canal, se calcula el caudal a partir de la ecuación de continuidad. Los valores obtenidos a partir de este método son los siguientes:
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Para diseñar la bocatoma, se debe verificar en primer lugar que el caudal de diseño sea inferior al caudal mínimo del río en el sitio de captación. La presa y la garganta de la bocatoma se diseñan como un vertedero rectangular con doble contracción. La capacidad de diseño de las obras de captación, para un nivel de complejidad medio alto, debe ser igual a 2 veces el caudal máximo diario.
Para determinar el valor de la lámina de agua para las condiciones de diseño y para las condiciones máximas y mínimas del río, se aplica la ecuación:
1.2 CÁLCULO NIVEL DE CRECIDA
1.3 CÁLCULO NIVEL MÍNIMO
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1.4 DISEÑO DE LA PRESA 1.4.1 Ancho de la Presa. Debe depender del ancho total de la estructura de captación (numeral B.4.4.5.4 – norma RAS 2000). Se asume un ancho: b = 2. m. Por lo tanto, la lámina de agua en las condiciones de diseño es:
Donde:
La corrección de la longitud del vertimiento por las dos contracciones laterales del vertedero es:
Donde
corresponde al número de contracciones laterales y
es la longitud corregida. La
velocidad del agua al pasar sobre la rejilla debe cumplir con la relación: Velocidad del río sobre la presa:
Lo anterior permite aplicar las ecuaciones del alcance de chorro para la determinación del ancho del canal de aducción.
1.5 DISEÑO DE LA REJILLA. La captación de aguas superficiales a través de rejillas se utiliza especialmente en los ríos de zonas montañosas, los cuales están sujetos a grandes variaciones de caudal entre los periodos de estiaje y los periodos de crecientes máximas, con el fin de limitar la entrada de material flotante hacia las estructuras de captación.
1.5.1 Velocidad del flujo en la rejilla. La velocidad efectiva del flujo a través de la rejilla debe ser inferior a 0.15 m/s, con el fin de evitar el arrastre de materiales flotantes (numeral B.4.4.5.5 – norma RAS 2000). Sandoná Socialmente Productiva y Competitiva
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1.5.2 Dimensiones de la rejilla. El ancho de la rejilla debe depender del ancho total de la
estructura de captación 1. Según literatura especializada, el ancho mínimo de la rejilla es de 0.40 m y la longitud mínima debe ser de 0.70 m. Las dimensiones son con el objeto de facilitar las labores de limpieza y mantenimiento de la estructura.
1.5.3 Separación entre barrotes. La separación entre barrotes, para el caso de estructuras de captación en ríos con gravas gruesas, debe ser entre 75 mm y 150 mm. Para ríos caracterizados por el transporte de gravas finas, la separación entre barrotes debe ser entre 20 mm y 40 mm (numeral B.4.4.5.3 – norma RAS 2000).
El largo de la rejilla se calcula adoptando un ancho de rejilla de 0.54 m.
El número de barras (N), se calcula a partir del área neta y ancho de la rejilla.
1.5.4 Condiciones Finales de la rejilla.
Para rejillas utilizadas en la captación de aguas superficiales en cursos de agua de zonas montañosas, la rejilla debe estar inclinada entre 10% y 20% hacia la dirección aguas abajo. En el caso de otros tipos de estructuras de captación, las rejillas deben tener una inclinación de 70° a 80° con respecto a la horizontal (Norma RAS 2000, numeral B.4.4.5.2). La inclinación de la rejilla asumida para este diseño es del 17.5%, la cual corresponde a una diferencia de 7 cm.
1
RAS 2000, Título B. Sistemas de Acueducto. Bogotá: 2000. P. 54. Sandoná Socialmente Productiva y Competitiva
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1.6
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DISEÑO DEL CANAL DE ADUCCIÓN
El canal de aducción recibe el agua a través de la rejilla y entrega el agua captada a la cámara de recolección. Tiene una pendiente entre 1 y 4%, (en este caso se utilizara una pendiente del 2%) con el fin de dar una velocidad mínima adecuada al flujo y que sea segura para realizar las labores de mantenimiento. La longitud de la rejilla, y por lo tanto del canal de aducción es menor que la longitud de la presa.
El ancho del canal asumido para este diseño es de 54 cm con el objeto de facilitar las labores de mantenimiento y limpiezas.
Donde:
1.7
NIVELES DE AGUA EN EL CANAL DE ADUCCIÓN.
1.7.1 Nivel Aguas Abajo. Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, se debe cumplir que la altura de la lámina de agua a la entrada sea igual a la profundidad crítica de la misma.
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Donde:
La velocidad del agua al final del canal será:
1.7.2 Nivel Aguas Arriba. Asumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por medio del análisis de cantidad de movimiento en el canal.
Donde:
Se asume una pendiente del canal de 2%.
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Lc = Lr + espesor del muro = 1,8m 0,3 m = 2 m
La altura del canal aguas arriba es igual a la suma de la altura de la lámina de agua más un borde libre de 14 cm. Ho= ho + BL
Ho = 0.21m +0.14m = 0.35 mts
He = 0.14 m + (0.21 m – 0.14m) + 0.02*2m + 0.14m = 0,39m
1.8
DISEÑO DE LA CAMARA DE RECOLECCION
Debido a que la velocidad del agua a la entrada de la cámara cumple con el rango establecido, las dimensiones mínimas de la cámara pueden determinarse con base a las ecuaciones del alcance de chorro del agua, reemplazando los términos por los de la condición de entrada a la cámara.
De los cálculos hidráulicos se establecen las condiciones mínimas de la cámara de recolección. Sin embargo, es importante determinar que éstas cumplan con estándares de dimensionamiento que faciliten las labores de mantenimiento de la misma. Por lo tanto, la cámara adquiere las siguientes dimensiones:
CÁLCULO DE LA ALTURA DE LOS MUROS DE CONTENCIÓN. Debido a que el caudal máximo del río es de 0.800 m 3 /s, la altura de los muros se determina mediante la ecuación.
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Adoptando un borde libre de 0.4 m, la altura de los muros debe ser aproximada a 0.8 mt
1.9
CAUDAL DE EXCESOS
Conociendo el caudal promedio del río, se calcula la lámina de agua en estas condiciones.
La capacidad máxima de captación de la rejilla, se puede aproximar al caudal a través de un orificio, a partir de la ecuación:
Donde:
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La altura de la lámina del agua de excesos, se calcula a partir del caudal de excesos obtenido y teniendo en cuenta las dimensiones de la cámara.
Nuevamente se aplican las ecuaciones de alcance de chorro para calcular la posición del muro de la cámara de salida, utilizando los valores de exceso.
Se adiciona un espacio de borde libre de 30 cm, para que no golpee el muro y evitar el deterioro de la estructura.
El vertedero de excesos estará colocado a 0.8 m de la pared de la cámara de recolección.
1.10
DISEÑO TUBERÍA DE EXCESOS
Aplicando la ecuación de Hazen – Williams:
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Se propone instalar tubería: presión.
ϕ
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= 8” PVC RDE 32.5, con el fin de que la tubería no trabaje a
2. DISEÑO DE LA LÍNEA DE ADUCCIÓN (Conducción Bocatoma – Desarenador). La aducción se diseña asumiendo que el conducto trabajará a flujo libre, aunque existe la posibilidad de que la tubería se llene completamente haciendo que ésta funcione a presión. Por esta razón, se debe garantizar que la tubería solo se llenará el 70%. La fórmula de cálculo tradicional de este tipo de conductos es la de Manning.
2.1
PARÁMETROS DE DISEÑO.
4.2
CÁLCULO DE DIÁMETRO DE LA TUBERÍA
Donde:
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Se aproxima al diámetro comercial de 8” (0.2032 m) y se determinan las condiciones para caudal a tubo lleno.
Teniendo en cuenta que el agua que fluye a través de la tubería de aducción puede contener materiales sólidos en suspensión, se recomienda una velocidad mínima de 0.60 m/s, de forma que se garantice el arrastre de material sedimentado (numeral B.6.4.8.3, norma RAS 2000). La velocidad máxima depende de la resistencia a la presión por efectos de golpe de ariete, pero en general se recomienda que no supere los 6 m/s (numeral B.6.4.8.4, norma RAS 2000).
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El valor de la relación obtenida, permite garantizar que la tubería se llenará hasta un 50% de su diámetro. De la tabla de relaciones hidráulicas para conductos circulares 2, se obtienen las relaciones:
Se adopta un diámetro de 8 pulgadas, con el fin de evitar ruptura en la conducción por sobrepresión. El caudal de excesos máximo previsto será de:
2
LÓPEZ CUALLA, Ricardo Alfredo. Op.Cit. p. 145. Sandoná Socialmente Productiva y Competitiva
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