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Presentación 2 de estructuras hidraulicas en la UTCH
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ESTRUCTURAS HIDRÁULICASFACULTAD DE INGENIERIA
Ing. Esp. M.I.R.H Harry Alejandro Pineda Padilla
Programa Ingeniería Civil
Universidad Tecnológica de Choco
Abril de 2015
2. ESTRUCTURAS MULTIPROPÓSITO-ABASTECIMIENTO Y GENERACIÓN DE ENERGÍA
2Estructuras Multipropósito - Abastecimiento-Generación
2.1Diseño y Operación de Embalses
2.2Componentes y Tipos de Presas
2.3Diseño de Rebosaderos y Compuertas
2.4Diseño de Canales de Descarga
2.5Diseño de Túneles
2.6Diseño de Estructuras de Disipasión
2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO
Un sistema de abastecimiento de agua está formado por una seriede elementos o componentes físicos, tales como:
Fuentes de abastecimiento. Captaciones. Conducciones. Tratamiento. Almacenamiento. Distribución.
Además de los componentes físicos, se requiere de unainfraestructura capaz de operarlos y mantenerlos adecuadamentepara que cumplan susfunciones específicas.
2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO
EmbalsePresa
Captación
Tratamiento
Conducción
Distribución
2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS GENERACIÓN
Un sistema de Generación está compuesto principalmente por:
Fuentes de abastecimiento. Captaciones. Conducciones Túnel Baja Presión. Conducciones Túnel Alta Presión. Almenara o Sistema Amortiguador. Casa de Máquinas. Generador. Canal de Descarga.
2.2.1 EMBALSES
Son volúmenes de agua retenidos en un vasotopográfico natural o artificial gracias a la realización deobras hidráulicas.
Embalse El PeñolEmbalse San Rafael
2.2.1 EMBALSES
1) Según su función
1.1 Embalses de acumulación: retienen excesos de agua enperíodos de alto escurrimiento para ser usados en épocas desequía.
1.2 Embalses de distribución: no producen grandesalmacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento desistemas de suministro de agua, plantas de tratamiento oestaciones de bombeo.
1.3 Pondajes: pequeños almacenamientos para suplir consumoslocales o demandas pico.
1. Clasificación
2.2.1 EMBALSES
2) Según su tamaño
La clasificación de los embalses de acuerdo al tamaño se hace máspor razones de tipo estadístico que por interés desde el punto devista técnico.
2.1 Embalses gigantes Vol > 100,000 Mm3
2.2 Embalses muy grandes 100,000 Mm3 > Vol > 10,000 Mm3
2.3 Embalses grandes 10,000 Mm3 > Vol > 1,000 Mm3
2.4 Embalses medianos 1,000 Mm3 > Vol > 1 Mm3
2.5 Embalses pequeños o pondajes Vol < 1 Mm3
Mm3 : millones de metros cúbicos
1. Clasificación
2.2.1 EMBALSES
Mejoramiento en el suministro de agua a núcleos urbanos enépocas de sequía.
Aumento de las posibilidades y superficie de riegos.
Desarrollo de la industria pesquera.
Incremento de las posibilidades de recreación.
Mantenimiento de reservas de agua para diferentes usos.
Incremento de vías navegables y disminución de distancias paranavegación.
Control de crecientes de los ríos y daños causados porinundaciones.
Mejoramiento de condiciones ambientales y paisajísticas.
3. Ventajas de los embalses
2.2.1 EMBALSES
Pérdidas en la actividad agroindustrial por inundación de zonascon alto índice de desarrollo.
Cambios en la ecología de la zona.
Traslado de asentamientos humanos siempre difíciles ycostosos.
Inestabilidad en los taludes.
Posible incremento de la actividad sísmica, especialmentedurante el llenado de embalses muy grandes.
3. Desventajas de los embalses
2.2.1 EMBALSES
El vaso natural debe tener una adecuada capacidad, la que esdefinida por la topografía. Se debe buscar obtener la mayorrelación entre agua almacenada a volumen de presa, ojalámayor que diez para pequeños proyectos. La siguiente tablaincluye ejemplos de embalses muy conocidos a nivel nacional ymundial.
4. Consideraciones para la selección del sitio del
embalse
2.2.1 EMBALSES
La geología del lugar debe analizarse desde el punto de vista dela filtración del lecho del embalse estudiando fallas, contactos yfisuras. Las filtraciones ocasionan no solamente pérdidas deagua, sino también ascenso del nivel freático dando lugar acambios en las condiciones de los suelos adyacentes. Lasmejores condiciones para un embalse las dan suelos arcillosos osuelos formados por rocas sanas, y las peores los suelos limo-arenosos. Si las filtraciones son muy grandes, casi seguro que elvaso topográfico natural no es factible para el almacenamiento.Si resulta económico, se puede impermeabilizar el vaso, lo quesobre todo es factible en el caso de pondajes.
La estabilidad de los taludes del embalse debe ser analizada,puesto que cuando el embalse está lleno no se presentan seriosproblemas, pero éstos surgen al ocurrir descensos en los nivelesdel agua y especialmente si son súbitos.
4. Consideraciones para la selección del sitio del
embalse
2.2.1 EMBALSES
Es necesario hacer el avalúo de los terrenos a inundar. El costode compra de los terrenos no debe ser excesivo. El área delembalse no debe tener en lo posible vías importantes niedificaciones de relocalización costosa.
La calidad del agua embalsada es importante y debe sersatisfactoria para el uso proyectado. Los aportes de agua de lacuenca hidrográfica deben ser suficientes durante los períodosde lluvia para llenar el embalse y poder suplir la demandadurante épocas de sequía; en otro caso, hay que estudiar laposibilidad de trasvases.
El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguasabajo debe considerarse y evaluarse.
4. Consideraciones para la selección del sitio del
embalse
2.2.1 EMBALSES
La limpieza de la zona del embalse puede resultar costosa ydebe considerarse a favor o en contra de un proyecto. Materiasflotantes, árboles, y otros desechos pueden ser causa deproblemas en el funcionamiento de las obras y en la explotacióndel embalse. La hoya hidrográfica debe presentar pocossíntomas de erosión.
Se busca que en la vecindad haya materiales para laconstrucción de la presa y obras anexas.
4. Consideraciones para la selección del sitio del
embalse-Volumen Requerido de Almacenamiento
2.2.1 EMBALSES
1. Curva área-elevación: se construye a partir de informacióntopográfica planimetrando el área comprendida entre cadacurva de nivel del vaso topográfico. Indica la superficieinundada correspondiente a cada elevación.
2. Curva capacidad-elevación: se obtiene mediante la integraciónde la curva área-elevación. Indica el volumen almacenadocorrespondiente a cada elevación.
5. Características de los embalses
Se requiere para determinar estas curvas de informacióntopográfica consistente en un plano topográfico de la cuencahidrográfica. Escalas usuales son 1:50.000, 1:25.000,1:20.000, 1:10.000, 1:5.000, y 1:1.000, con curvas de nivelentre 20 m y 1 m, dependiendo de la magnitud del proyecto ydel nivel de precisión requerido.
2.2.1 EMBALSES
El incremento de volumen entre dos curvas de nivel consecutivas secalcula con la siguiente expresión:
D" = incremento de volumen entre curvas de nivel consecutivasDh = diferencia de nivel entre curvas de nivel consecutivasAi = área correspondiente a un nivel inferiorAs = área correspondiente a un nivel superior
5. Características de los embalses
2.2.1 EMBALSES
5. DETERMINACIÓN VOLUMEN ÚTIL DEL EMBALSE
N
VVV
Masa
NFirme
t
Firme
t 1
Ecuaciones para el cálculo numérico de las curvas de masa y de rendimiento firme para un embalse dada la curva de caudal mínimo anual.
T : El mes t
N: Número de Períodos (12 meses)
VOLUMEN EMBALSEQentrada Qfirme
tQVVt
Masa
t
Masa
t D 11
2.2.1 EMBALSES
5. DETERMINACIÓN VOLUMEN ÚTIL DEL EMBALSE
Q V
t tCurva Caudales Mínimos Curva de Masa
Caudal Rendimiento Firme
Déficit
Exceso
2.2.1 EMBALSES
ExcDefCap Firme
t
Masa
t VVMinExc
Firme
t
Masa
t VVMaxDef
5. DETERMINACIÓN VOLUMEN ÚTIL DEL EMBALSE
VOLUMEN EMBALSEQentrada Qfirme
Ecuaciones para el cálculo numérico de las excedencias y deficits, la capacidad del embalse y el almacenamiento inicial y la simulación del almacenamiento.
T : El mes t
N: Número de Períodos (12 meses)
)(1
RFirme
t
Río
t
Embalse
t
Embalse
t VVVV
2.2.1 EMBALSES
Niveles característicos
4. Características de los embalses
Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mínimo deagua en el embalse. Delimita superiormente el volumenmuerto del embalse el cuál debe exceder en capacidad alvolumen de sedimentos calculado durante la vida útil con elfin de que el embalse los pueda contener. Su determinación esmuy compleja, sobre todo si el embalse es de propósitomúltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la carga deagua sobre las turbinas, condiciones de navegación aguasarriba, altura de comando sobre las tierras de riego, etc.).
Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE):delimita superiormente el volumen generado por la alturamínima del agua necesaria para el correcto funcionamiento detoma de agua la que se sitúa por encima de NME.
2.2.1 EMBALSES
Niveles característicos
4. Características de los embalses
Nivel normal del agua (NNE): delimita superiormente alvolumen útil del embalse, que es el que se aprovecha y gastaen función de diferentes propósitos: energía, irrigación,suministro de agua, etc. Para su ubicación se tienen en cuentalos siguientes aspectos: aportes de la cuenca, demanda deagua, pérdidas por infiltración y evaporación.
Nivel forzado de agua (NFE): se presenta temporalmentedurante la creciente de los ríos dando lugar al volumenforzado del embalse, el cual puede ser usado en algunoscasos, pero por lo general es evacuado rápidamente pormedio del vertedor de demasías o rebosadero o aliviadero.
2.2.1 EMBALSES
Rendimiento del embalse
Es la cantidad de agua que puede proporcionar el embalseen un intervalo específico de tiempo.
El rendimiento seguro o firme, es la cantidad máxima deagua que puede garantizarse durante un período crítico desequía.
El rendimiento secundario es el agua disponible en excesodel rendimiento seguro durante períodos de escurrimientoaltos.
2.2.2 PRESAS
Una presa es una construcción que tiene por objeto contener el agua
de un cauce natural con dos fines, alternativos o simultáneos, según
los casos:
Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de altura).
Formar un depósito que, al retener los excedentes, permita suministrar el líquido en los momentos de escasez (creación de embalse).
Junto con ese objetivo esencial, hay que cumplir otro secundario y
accidental que, a pesar de ello, es importantísimo y condiciona el
concepto estructural. Esa necesidad funcional es la evacuación del
agua sobrante.
2.2.2 PRESAS
Siendo la presa una estructura hidráulica, los distintos tipos posibles
responden a las variadas formas de lograr las dos exigencias
funcionales:
- Resistir el empuje del agua.
- Evacuar los caudales sobrantes.
2.2.2 PRESAS
Clasificación de acuerdo con material de
construcción:
1.Tierra
2.Gravitacional de Hormigón y de arco de hormigón.
3.De enrocados
4.De hormigón compactado por rodillo (HCR ó RCC)
5.De rellenos con pantalla de hormigón (CFRD)
Colbún Pangue
2.2.1 EMBALSES
De gravedad, que retienen el agua gracias al tipo de materiales empleados, como mampostería u hormigones.
De contrafuerte, formadas por una pared impermeable situada aguas arriba, y contrafuertes resistentes para su estabilidad, situados aguas abajo.
De arco-bóveda, que aprovechan el efecto transmisor del arco para transferir los empujes del agua al terreno.
De tierra o escollera, con un núcleo de material arcilloso, que a veces es tratado químicamente o con inyecciones de cemento.
TIPOS DE PRESAS
1. Presas Zonificadas, de
Tierra.
Presa de Asuán
Presa
Colbún
2.2.2 PRESAS
Protección enrocados
Pared Moldeada
Núcleo
Rellenos compactados Rellenos compactados
Enrocados
SUELO
1. Presas Zonificadas, de Tierra.
2.2.2 PRESAS
2. Presas de hormigón,
gravitacionales y de arco
Presa Arco Rapel.
2.2.2 PRESAS
REQUIEREN ROCA MUY ESTABLE Y RESISTENTE
2. Presas de hormigón, gravitacionales y de arco
2.2.2 PRESAS
3. Presas de enrocados
Presa El Guavio
2.2.2 PRESAS
3. Presas de enrocados, y de rockfill con pantalla hormigón (CRFD).
Pantalla hormigón
Chimenea de drenaje
Revestimiento drenantePared Moldeada
SUELO
Plinto
Plinto
2.2.2 PRESAS
4. Presas de hormigón
compactado por rodillo
(HCR) Colocación de capas:
REQUIEREN ROCA
Usan galerías drenantes.
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
La estructura, que puede ser de distintos materiales, debe cumplir entodo caso el doble condicionado: ser estable y ser resistente; ambas, enfunción de los requerimientos de la presa.
En cuanto a estabilidad, el sistema de fuerzas (componente V, H yMomentos) ha de estar en equilibrio. En cuanto a resistencia, el materialde la presa debe poder soportar, coeficiente de seguridad incluido, lasmáximas tensiones.
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
Fuerzas actuantes:
EMPUJE DEL AGUA.
Fuerza activa fundamental, tiene dos componentes, H y V; la H suele serla más importante. El empuje siempre está bien determinado.
PESO PROPIO.
Fuerza pasiva fundamental. Componente vertical, que colabora en laestabilidad y que también está bien definido.
SUBPRESIÓN.
Fuerza activa complementaria importante. La subpresión está producidapor la filtración; es pues, exclusiva de obras hidráulicas. Ejerce unaacción de cuña, con componentes H y V, siendo V la más destacadaen general. Está mal definida, pero se puede controlar en parte.
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
Fuerzas actuantes:
TEMPERATURA Y RETRACCIÓN.
Son fuerzas internas y, por lo tanto, tienen componentes en cualquierdirección. La retracción y el efecto térmico son reducibles con ciertasmedidas de precaución durante la ejecución.
Con las fuerzas anteriores hay que contar siempre; hay otras fuerzasaccidentales, que no actúan en todo momento, pero han de tenerse encuenta al proyectar la estructura que las soporte.
TERREMOTOS.
No están bien definidas. Producen fuerzas H y V. Pueden ser importantes ono según las características sísmicas de la zona que se trate. Cada vez sevan teniendo más en consideración, especialmente en las presas de tierrapor sus efectos.
EMPUJE DEL HIELO.
Fuerza horizontal, poco importante en general; sólo actúa en ciertasregiones.
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
Fuerzas actuantes:
EMPUJE DE LOS SEDIMENTOS.
De componentes H y V, prevaleciendo H. De pocaimportancia por lo común.
EFECTO DEL OLEAJE.
En general de poca importancia, salvo en embalses de muchaextensión o en los que sean previsibles; o las singulares poraludes o desprendimientos difíciles de controlar.
OTRAS SOLICITACIONES.
Corrientemente de menor cuantía, dependiendo esencialmentedel tipo de estructura. Así, en las presas de compuertas,debe estudiarse la posibilidad de vibraciones resonantes endichas compuertas.
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
El proyecto de una presa es una actividad multidisciplinaria y uno de los de
mayor envergadura. A los Ingenieros Hidráulicos nos corresponde, entre otras
actividades, la de definir la cota de coronamiento del muro a dimensionar las
obras de descarga que permitan enfrentar las crecidas del río o bien sean
requeridas para eventuales vaciados del embalse, verificar filtraciones, definir
la posición de bocatomas, vertederos, desagües de fondo, etc.
Muro de la presa: es el elemento que distingue a una presa de otra: de tierra
de hormigón masivo, de hormigón armado, de enrocados, etc.
Condición de diseño usual para la altura de presas de CH:
“La cota de coronamiento de la presa deberá ser mayor que la carga
eventual del vertedero (NAME) operando con su caudal de diseño, más
la sobre-elevación producida en el embalse por el viento de diseño
adoptado para el tipo de presa considerado”.
2.2.2 PRESAS
En las presas se acostumbra a utilizar los siguientes términos:
NAMN o NAMO : Nivel de aguas máximas normales o de operación. Es el
que se considera para el cálculo de la Hn de la central.
NAME: Nivel de aguas máxima eventual de un embalse. Es el nivel de
aguas en el embalse cuando se encuentra operando el vertedero de
seguridad con su caudal de diseño.
Cálculo de la sobre-elevación por viento: Método de Saville.
Este método considera que la sobreelevación por viento en el embalse es
producto del peralte de la masa de agua (S) y por el remonte de la ola sobre
el muro de la presa (run-up).
Determinación del NAME. Es función de la curva de descarga del vertedero
o bien es un dato impuesto al proyecto en cuyo caso pasa a ser un criterio
de diseño del vertedero y de la presa.
Luego la cota de coronamiento será:
NAMO + Carga vertedero + Viento (S+run up) = NAME + Viento
2.2.2 PRESAS
Cálculo de una presa
PRESA
2.2.2 PRESAS
Estructuras hidráulicas de Presas y Embalses
EMBALSE
REBOSADERO
CANAL DE DESCARGA
ESTRUCTURA
DISIPASIÓN
TUNELES DE
CARGATÚNEL
DESCARGA DE
FONDO-DESVÍO
GENERADORES
2.2.3 REBOSADEROS
Estructuras que permiten evacuar los excedentes de unembalse.
Belesar - EspañaEmbalse Salime - España
Los ríos son tan variables que no podemos prever sus caudales con
absoluta seguridad; y por grande que sea un embalse, no podemos estar
seguros de que no se presente una crecida excepcional que rebase su
capacidad almacenadora.
La evacuación de los caudales excedentes es, pues, inevitable, pero
presenta, además, una característica: como los sobrantes no se presentan
repartidos en un largo período sino por efecto de avenidas de duración
relativamente corta (días u horas), con caudales muy grandes, la
evacuación de éstos plantea problemas.
Los órganos destinados a la evacuación de caudales sobrantes se llaman aliviaderos y pueden ser de varios tipos, según su situación:
2.2.3 REBOSADEROS
Aliviaderos de superficie. Aliviaderos de medio fondo. Desagües de fondo.
Ecuaciones de Diseño
2/323
2HgBCQ e
d
Ecuación Rebosadero Básico
Donde:
Q Caudal [m3/s]
Cd Coeficiente de descarga
H Nivel Lámina sobre la cresta de la Presa
Be. Ancho equivalente.
N Número de contracciones
K Factor de contracción
knHBBe
Ecuaciones de Diseño
2/312/3* 23
2HHgBCQ e
d
Ecuación Rebosadero de Compuerta
Donde:
Q Caudal [m3/s]
Cd Coeficiente de descarga Cd*=.6, 0.55<Cd<.7
H Nivel Lámina sobre la cresta de la Presa
H1 Nivel de la Compuerta
gHgaBCQ e
d 223
2
H1
H
a
Ecuaciones de Diseño
225.023
2 2/3 D
HHgDCQ cd
Ecuación Rebosadero Circular “Morning Glory”
Donde:
Q Caudal [m3/s]
Cd Coeficiente de descarga
H Nivel Lámina sobre la cresta de la Presa
H1 Nivel de la Compuerta
5.0)(24
1 2 D
HzHgDCQ d
Ecuaciones de Diseño
H
y
H
x0.2
85.1
Ecuación Forma del Rebosadero
Donde:
X abscisado de la curva
Y Ordenada de la curva
H Nivel Lámina sobre la cresta de la Presa
Ecuaciones de Diseño
)2()(
21
1212
2 Qt
VIIQ
t
V
D
D
Ecuación Numérica para el Tránsito de Crecientes en Embalses
Donde:
Vi: Volumen Embalse sobre la cresta del rebosadero
Qi: Descargas del Rebosadero
Ii: Caudales de la creciente
dt: Delta de tiempo para la simulación
Son las estructuras de llevar la descarga del rebosadero a las estructuras
de disipación de energía, logrando algún nivel de disipación de energía y
el control de los caudales.
2.2.3 CANALES DE DESCARGA
yo
qV
B
n
Syo
yoB
Byoq
2/13/2
2
Ecuación de Manning para el Cálculo de la Profundidad no aireada en Canales de descarga
Donde:
q Caudal unitario
Yo Profundidad Normal
B: Ancho del Canal
V: Velocidad
Q: Caudal
Métodos para el cálculo de la Profundidad Aireada en Canales de
Descarga
2.2.3 CANALES DE DESCARGA
37.032.0 11 cyCy ca
Método 1
Método 2
Donde:
Ya Profundiad Aireada
Yo Profundidad Normal
Fr: Número de Froude de Profundiad Normal
C1: Coeficiente de Aireación
Yc: Profundiad Crítica
Disipación de Energía (ver texto H. Mery)
Los chorros evacuados por el rápido de un vertedero, tradicionalmente
son manejados mediante dos formas:
Lanzamiento con salto de esquí:
Disipación en cubetas amortiguadoras de resalto:
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
Partes:
1.- Canal de descarga o rápido.
2.-Obra de lanzamiento o de deflexión, denominada cuenco de
lanzamiento.
3.- Dispersión del chorro en la atmósfera.
4.- Zona de impacto y formación de la fosa natural.
5.- Zona de aguas abajo.
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Disipación de Energía
Lanzamiento con
salto de esquí:
El radio del cuenco se denomina “ bR ” y el ángulo de lanzamiento o de
despegue se denomina “ j ”. Es ideal que la pendiente del rápido en la
llegada al cuenco no sea superior a 1:4 (H:V) y el ángulo de lanzamiento esté comprendido entre 20° y 40°.
La altura del torrente en la entrada al cuenco se denomina “ bt ” y el N° de
Froude del escurrimiento “F0” determinado con la relación: 2/130
)( bgt
qF
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
2
0FR
t
gt
p
b
b
b
m
La máxima presión sobre el fondo
del cuenco debido a la fuerza
centrífuga, es:
El radio adecuado de un cuenco de lanzamiento , de acuerdo a los criterios de Damle y el USBR resulta ser ( Ho es la altura de la energía cinética del chorro a la salida del cuenco y “pm ” la presión máxima):
2/1
0
bb
b
t
H
t
R
mb
b
p
v
t
R
2
2
0
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
jj
m senH
x cos2
0
jm senH
z2
0
Si se denomina g
vH
2
2
0
0 , la ubicación de la máxima
altura del chorro ( mm zx , ) queda dada por las relaciones:
El ángulo “ t ” que forma la tangente a la trayectoria
con la horizontal a una distancia “ x ” del origen es: j
jt
Hxtgtg
2
0
cos2
/
La distancia al punto de impacto es:
2/1
2
00
11cos2j
jjt
senH
Psen
H
L
Cubetas disipadoras de resalto:
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
H Energía Total
Z Altura Presa
Hd Altura Diseño Rebosadero
Profundidad Inicial antes Rebosadero
Profundidad Final antes Rebosadero
ProfundidadRío
Nivel del LechoDel Cuenco Disipador
Cubetas disipadoras de resalto:
1h Altura del torrente en el inicio del resalto.
1v Velocidad del torrente > cv (velocidad critica).
1
11
gh
vF = Nº de Froude del torrente.
2h Altura conjugada.
2v Velocidad del régimen subcrítico.
rL Longitud del resalto.
La altura conjugada, relación de Belanger:
1812
1 2
1
1
2 Fh
h
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo II. Este tanque se utiliza cuando el torrente tiene un N° de Froude F1 mayor de 4,5 y la velocidad del torrente es superior a los 18 [m/s].
La altura del régimen tranquilo a la salida debe ser .2 05,1 conjhh ( .conjh
altura conjugada del torrente.). La longitud necesaria de este tanque es de
.4,4 conjhL .
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo III. Este tanque es mucho más corto que el anterior para lo cual tiene una corrida de bloques de impacto que originan fuerzas que se suman a la fuerza hidrostática de la altura de aguas abajo.
Este tipo de tanque se utiliza en torrentes con el N° de Froude F1 >4,5, pero la velocidad del torrente debe ser inferior a los 18 [m/s], para evitar la cavitación en los bloques de impacto. La altura de aguas abajo debe ser
igual a la altura conjugada y la longitud del tanque es de .8,2 conjhL
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo IV. Este tanque se utiliza para disipar la energía de torrentes de baja energía específica. Sus características se muestran en la figura 2.77. Los parámetros característicos deben cumplir las siguientes
recomendaciones( .2 conjhh ):
5,45,2 1 F ; ; .1,6 conjhL
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques SAF (Saint
Anthony Falls)
Se utiliza para pequeñas estructuras de drenaje, es de tamaño
reducido que los tanques USBR (ver Ven Te Chow):
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubeta SAF:
Recomendaciones de diseño (1.7 < F1 < 17), según Ven Te
Chow:
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
Cubeta SAF:
Recomendaciones de diseño (1.7 < F1 < 17), según Ven Te
Chow (continuación):
2.2.3 ESTRUCTURAS DE DISIPACIÓN
2.2.4 ESTRUCTURAS DE TOMA
Componentes de las Estructuras de Toma
Presa de Captación Depósito de Captación
Vertedero de Control Rejillas
Canal de Aducción
Compuertas
Cámara de Recolección
Cámara de excesos
Conducción a Desarenador
Conducción de excesos
Criterios de Diseño
CAPTACIONES SUPERFICIALES
1-Diseño bajo concepto de Flujo Permanente y Gradualmente Variado.
2-Se calcula con base en el Caudal Máximo Diario afectado por las pérdidas de todo el sistema.
3-Localización en tramos rectos de los ríos o en las curvas externas de los mismos.
4-Tomas con rejillas de fondo son aconsejables para ríos de montaña.
5-Las presas pequeñas se deben contemplar para riós angostos con problemas de estabilidad del nivel del agua.
6-Para ríos de llanura con niveles estables a lo largo del año, se recomienda tomas con cámaras de toma directa-(depósitos de captación).
Parámetros de Diseño
CAPTACIONES SUPERFICIALES
1-Velocidades entre 0.3 m/s y 3 m/s.
2-Periódos de diseño según nivel de complejidad
3-Velocidades para canales de aducción según tipo de material del canal.
4-Ajustar longitudes con base en bordes libres.
Ecuaciones de Diseño
gHACQ d 2
Ecuación Orificio para Caudales
Donde:
Q Caudal [m3/s]
Cd Coeficiente de descarga
H Nivel Lámina sobre el vertedero
Útil para el cálculo de caudales en compuertas o caudales que dependen de cabezas hidráulicas fijas.
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño
2/384.1 HLQ
Ecuación Vertedero Cresta Delgada
Donde:
Q Caudal [m3/s]
L Longitud de la Cresta
H Nivel Lámina sobre el vertedero
Útil para la definición de niveles de lámina de agua y caudales sobre vertederos, como CONTROL HIDRÁULICO.
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño
HLL 2.0*
Ecuación Corrección contracciones Laterales
Donde:
L* Longitud de la Cresta ajustada
L Longitud de la Cresta del Vertedero
H Cabeza sobre el Vertedero
Se usa para el de la velocidad neta sobre la cresta del vertedero
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño
4/37/4
7/43/2
74.018.0
6.036.0
HVX
HVX
ri
rs
Ecuaciones de Alcances de Flujo sobre Canales
Donde:
Xs Alcance superior
Xi Alcance inferior
Vr Velocidad Neta vertedero aguas arriba
H Nivel lámina vertedero
Se usa para estimar el ancho de los canales de aducción dadas condiciones del Control Hidráulico aguas arriba
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño-Rejillas
rejillan BLba
aA
Estimación Área Neta de flujo en rejillas
Donde:
An Área neta para rejillas
a. Espaciamiento efectivo de flujo
b. Espaciamiento de las rejillas
Útil para la definición de las dimensiones de las rejillas de captación.
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño-Rejillas
g
VKH r
2
2
D
Pérdida de energía del flujo en rejillas
Donde:
dH Pérdida de energía
K Coeficiente de Pérdida
Vr Velocidad Neta en las rejillas
Se usa para pérdidas de carga en las rejillas
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño-Canales
coc
occo LSL
SYYY3
2
32
2/12
2
Profundidades Iniciales en perfiles de flujo sin fricción
Donde:
Yc Profundidad Crítica
Lc Longitud Canal rectangular
So Pendiente Canal
Para la definición de dimensiones de los canales
CAPTACIONES SUPERFICIALES
Ecuaciones de Diseño-Canales
3/1
2
2
gB
QYc
Profundidad Crítica
Donde:
Yc Profundidad Crítica
B Ancho del canal rectangular
Útil para la estimación de Controles hidráulicos.
CAPTACIONES SUPERFICIALES