DISENO DE BOCATOMAS

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
CURSO: IRRIGACIONES Y OBRAS HIDRÁULICAS
“DISEÑO DE BOCATOMAS - 1
Presentado por:
Ing. Ernesto Ramírez
BOCATOMAS
Las obras de irrigación a lo largo de todo el territorio peruano
muestran la calidad y funcionalidad de dichas obras, así
tenemos: canal La Achirana en Ica, canal Huaca La Cruz en
Lambayeque, sistemas de regadío en Nazca e Ica,
abastecimiento de agua a la ciudad del Cuzco y
Macchupicchu.
Cuando en 1904 llega el Ingeniero Charles Sutton, la
Ingeniería Hidráulica se desarrolla; el Ingeniero Sutton en
compañía de jóvenes ingenieros peruanos (Mercado,
Góngora, Lama, Gilardi, etc. ) logran la concepción y en
algunos casos la construcción de las obras hidráulicas nuevas
o complementarias que permitieron el incremento de la
frontera agrícola.
BOCATOMA
Una Bocatoma se define como una estructura que tiene por función
derivar parte o el total del caudal que discurre en un río, para irrigar una
área bajo riego, para el abastecimiento de agua o generar energía
mediante una central hidroeléctrica
BOCATOMA EN LLANURA : La pendiente del río es suave S = 1/500 a 1/10000
Se da en la costa del Perú, en estos casos la bocatoma generalmente consta de un
barraje fijo y/o barraje móvil ( compuertas ), denominandose bocatomas
convencionales..
BOCATOMA DE MONTAÑA : La pendiente del cauce es muy fuerte, se presenta
en las zonas andinas del Perú. En estos casos no se puede diseñar bocatomas
convencionales, se dan soluciones particulares, una solución es la Bocatoma
Tirolesa que de una rejilla de fondo.
Bocatoma Tirolesa
Se reemplaza barraje móvil
por una rejilla de fondo.
Barraje fijo de una Bocatoma Tirolesa
Construcción de la rejilla de fondo de una Bocatoma Tirolesa
Bocatoma Tirolesa durante estiaje
Bocatoma Tirolesa durante una crecida del río
PROCESO DE DISEÑO DE BOCATOMAS :
1º Determinar la demanda hídrica ó caudal de diseño ( para irrigación,
agua potable, etc.)
2º Estudios básicos : Topografía, Hidrología, Geología y Geotecnia
3º Ubicación y tipo de bocatoma
4º Determinar el ancho del cauce ( ancho estable )
5º Calcular la ventana de captación
6º Calcular el barraje ( Barraje fijo y/o movil )
7º Calcular los muros de encauzamiento y/o diques de protección
PENDIENTE Y SECCIONES TRANSVERSALES DEL RIO
Determinada la zona de ubicación de la bocatoma se ejecuta el
levantamiento topográfico consistente en :
• Levantamiento a curvas de nivel del cauce del río a intervalos de 1 m.
y en 500 m a 1000 m. tanto aguas arriba como aguas abajo.
• Perfil longitudinal del cauce, de 0.50 km. a 1 km. tanto aguas arriba
como aguas abajo del eje de la bocatoma. ( H : 1/2000
V : 1/200 ),
permite obtener la pendiente del río
• Levantamiento detallado del área de la bocatoma, unos 100 m. aguas
arriba y 100 m. aguas abajo. ( Escala 1/500 )
• Secciones transversales del cauce cada 50 m. a 100 m., 1 km aguas
arriba y 0.50 km aguas abajo, permite calcular los volúmenes de
excavación y relleno.
GEOLOGIA Y GEOTECNIA
El estudio de geología y geotecnia son muy importantes porque ayuda a
dimensionar y calcular estructuralmente cada parte de la bocatoma. De su
correcta ejecución se obtiene:
a) Tipo de material del cauce y la cimentación sobre el que se
ubicara la bocatoma
b) Secciones transversales y sus condiciones de erosión y desborde
Características de la permeabilidad del cauce y estribos
c) Capacidad portante del cauce y riberas tanto seco como saturado.
d) Ensayos de hincado de pilotes o tablestacas, de ser necesario
e) Estudio de la cantidad de sedimentos que lleva el río
Las gravas son materiales muy estables, la arena gruesa es estable,
una mezcla proporcional de arena y grava es muy estable, la arena fina por
si sola es muy inestable al igual que los limos. A continuación se dan
algunos valores referenciales de la capacidad portante de suelos:
CAPACIDAD PORTANTE
TIPO DE SUELO
Roca dura y sana
Roca fisurada
Conglomerado compacto
Gravas
Arena gruesa
Arena fina a media
Arcilla firme
Arcilla blanda
Limos con ó sin arena
Para una buena cimentación se requiere que
σt
( Kg/cm2 )
40
7
4
2
2
1 a 1.5
1.5
0.5
0.25
σ t sea mayor 1.5 Kg/cm
2
, los valores
anteriores son estimados, para un buen diseño se requiere que el estudio de suelos
proporcione éstos valores
CAUDALES DE DISEÑO
Determinada la demanda es necesario conocer el comportamiento
hidrológico del río a fin de evaluar disponibilidad del recurso hídrico. Estos
datos permite garantizar el caudal a derivar y definir el tamaño de las
estructuras de la bocatoma ( caudal máximo ), los datos más importantes a
conocer son :
Qd es el caudal mínimo a derivar (caudal de captación)
Qmax es el caudal de avenida máxima, determina el tipo de barraje y muros
de encauzamiento,
El problema en el diseño de bocatomas es que no siempre se cuenta con
registros históricos amplios y consistente, lo cual dificulta el uso de métodos
usuales en el tratamiento de la información hidrológica.
CRITERIOS DE DISEÑO
Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar algunos
aspectoss:
• La captación debe estar en un tramo recto de ser posible, esto facilita la
•
•
•
•
•
limpieza natural del cauce
Ubicar la Toma de preferencia en zonas con protección natural y el canal
de derivación no debe prolongarse demasiado.
Debe ubicarse en una zona segura, con buenas condiciones de
cimentación, ancho mínimo para evitar altos costos de encauzamiento y
con buenas condiciones para su construcción.
La captación de agua debe ser posible en toda época del año.
Si la ubicación se hace en una curva, se debe considerar que en una curva
el flujo sufre cambios de dirección, se produce erosión y sobre elevación
del nivel del agua en la curva exterior y sedimentación en la curva interior,
por tal motivo la captación debe estar en la curva exterior y hacia aguas
abajo
El ingreso de sólidos al canal de derivación debe ser el mínimo posible.
ANGULOS PRINCIPALES DE DERIVACIÓN
Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe considerar el ángulo de derivación
El ángulo de derivación
esta entre 20º a 45º
ANCHO ESTABLE :
El río es estable si:
• No presenta socavación en las riberas
• Los sedimentos que ingresan al canal se transportan y no se depositan
• No hay cambio de alineamiento en su curso.
La estabilidad depende de las propiedades del material de fondo del río, las
características del flujo y las variables geométricas y topográficas (pendiente).
Método de Altunin : Se emplea para un cauce de material granular
B = A Q0.5 / S0.2
A = ( n K5/3 )3/( 3+5m )
n = Coeficiente de Manning
K = Término que es función de las orillas
K = 3 a 4 Material del cauce muy resistente K = 8 a 12 Material aluvial
K = 16 a 20 Material del cauce muy erosionable m = 1 Para cauces aluviales
m = 0.7 Para cauces arenosos
m = 0.5 Para ríos de montaña
Q = Caudal de máxima avenida ( m3/s ) S = Pendiente del cauce del río
RELACION ENTRE EL BARRAJE VERTEDERO FIJO Y EL MOVIL
Las bocatomas pueden ser con ó sin barraje a traves del río, cuando se construye
un barraje fijo a lo largo del cauce y no genera problemas en época de avenida.
La longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpia
gruesa, el barraje produce que se acumule material sólido pudiendo llegar hasta la
cresta, como solución se plantea una parte fija y una parte móvil.
El barraje móvil esta formado por una o varias compuertas. Si el barraje fijo
causa problemas en época de avenida (inundaciones aguas arriba), entonces, se
requiere aumentar el barraje móvil para disminuir el nivel del agua sin causar
problemas de inundación.
El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud
móvil (Lm) es que sus longitudes permiten pasar caudales Qm y Qf que, sumados
den el caudal de diseño.
Qf = Caudal que pasa por el barraje fijo
Qm = Caudal que pasa por el barraje movil
Ventanas de
captación
Barraje
movil
Barraje
fijo
ALTURA DEL BARRAJE VERTEDERO
La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel
de agua en el río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el
canal principal o canal de derivación.
p = p0 + b + 0.30
a
p0 = 1.5 Dm + hs
b
po
p0 = Altura para evitar el ingreso de sólidos a la ventana de captación
b = Altura de ventana de captación
Dm = Diámetro ó tamaño del material sólido
hs = Altura de seguridad ( entre 0.20 a 0.40 m. )
FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE VERTEDERO
Se recomienda dar formas a la cresta del vertedero de modo tal que eviten
la presencia de presiones negativas las que podrían generar cavitación y en
consecuencia daños al concreto. Los estudios del U.S.B.R. y del W.E.S.
(U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station) han desarrollado
formas standards, dadas por : X n = K Hdn-1 Y Perfil Creager
PENDIENTE 3:a
K
n
VERTICAL
3:1
3:2
3:3
2.000
1.936
1.939
1.873
1.85
1.836
1.810
1.776
Pendiente vertical:
Pendiente 3 : 1
Pendiente 3 : 2
Pendiente
3:3
X 1.85 = 2 Hd0.85 Y
X 1.836 = 1.936 Hd0.836 Y
X 1.81 = 1.939 Hd0.81 Y
X 1.776 = 1.873 Hd0.776 Y
CAPTACION
La captación debe estar ubicada por lo general aguas arriba del barraje vertedero,
siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea el mínimo
(ya indica que el punto ideal es el lado exterior de la parte cóncava de una curva).
La cimentación debe estar en zona dura y es preferible buscar roca para asentar la
estructura, la Toma debe disponer de una cota suficiente para las obras complicadas,
y de facilidad constructiva para reducir los costos de construcción.
Q= C xA 2 g h
Q : caudal a derivar ( m3/s ).
C : coeficiente para orificio, 0.60
A : Area de la ventana ( m2 ), a x b
b = a/2
h : Carga de agua desde el umbral
hasta el centro de la ventana
VENTANA DE CAPTACION
La captación se realiza mediante un abertura llamada ventana de captación la cual
debe encontrarse como mínimo a una altura de 0.60 m del piso del canal de limpia.
Sus dimensiones se calculan según el caudal a derivar y por economía. Se
recomienda considerar el caso crítico, cuando la ventana trabaja como orificio.
( época de avenidas )
p = p0 + b + 0.30 a =2 b b = a / 2
P = p0 + a/2 + 0.30
P = p0 + b/2 + h = po + a/4 + h
pero h = p - p0 – b/2 = p – p0 - a/4
Simplificando :
h = a/4 + 0.30
Q = C a a/2 ( 2 g (a/4 + 0.30 ) )0.5
Simplificando :
2 Q = a2 ( a/4 + 0.30 )0.5
C ( 2g )0.5
a5 + 1.2 a4 = 2.265 Q2
para una ventana
P) Calcular la altura de un barraje para un caudal de 1.5 m3/s, considerar que
el máximo tamaño del material sólido que trae el río es 0.40 m.
Solución :
a5 + 1.2 a4 = 2.265 ( 1.5 )2 = 5.0963
resolviendo :
a = 1.206 m
verificando:
Q = 0.60 (1.20 x 0.62)
a = 1.20 m
b = 0.62 m
2 x 9.81 (1.2 + 0.3)
4
Q = 1.53 m3 / s
altura de la cresta : Po = 1.5 ( 0.4 ) + 0.20 = 0.80 m
P = 0.80 + 0.62 + 0.3
P = 1.72 m
P
La topografía de un río indica un n = 0.045 (material aluvial), el caudal
de máxima avenida es 750 m3/s. Si la cota del fondo del río en la captación
es 200 msnm y la pendiente es S = 0.0035. Calcular el ancho estable, la
ventana de captación para Q = 10 m3/s y las dimensiones del barraje fijo.
a ) Altunin
K = 12
: B = AQ0.5
S0.2
n = 0.045
A = [ 0.045 (12) 5/3 ]
y
A = ( nk5/3)3/(3 + 5m)
m=1
3/ (3 + 5(1))
cauces aluviales
= 1.4772
B = 1.4772 (750) 0.5 = 125 m
( 0.0035 ) 0.2
Petit :
B = 2.45 (750) 0.5 = 67.10 m
De la topografía del río se observa que el ancho debe ser B = 100 m
Ventana de captación : Po = 1.5 (0.35) + 0.20 = 0.725
Considerando 2 ventanas con 5 m3/s cada una.
a5 + 1.2 a4 = 2.265 ( 5 )2 = 56.625
Resolviendo : a = 2.05 m
Se verifica : Q = 0.6 (2.05 x 1.03)
b = 1.03 m
A = 2.1115 m2
( 2.05 + 0.3 ) 2 x 9.81
4
= 5.06m3/s
“Lo que tenemos que aprender lo aprendemos
haciéndolo.“
"La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento,
sino también en la destreza de aplicar los
conocimientos en la práctica.“
"Enseñar no es una función vital, porque no tiene el fin
en sí misma; la función vital es aprender."
Autor: Aristoteles
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