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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hídricos

CURSO Estructuras Hidráulicas I

(Parte 1) DISEÑO DE BARRAJES EN RIOS Resumen de Notas de Clases. Ing. Teresa Velásquez Bejarano Docente Principal del DRAT-FIA

Fuente. “Applied Hydraulics”. P. Novak. Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26. “Desing of Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation. Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.

Caudal de Diseño: Ventana de Desrripeador CAPTACION. Diseño según DEMANDA de USUARIOS. Diseño de Muros Ventana Periodo 1/50 o 1/100 años. Sumergencia

Vertedero de salida de desrripeador

Transicion CANAL DE LIMPIA

BARRAJE Caudal de Diseño: Avenidas, Período de Retorno 1: 50 ó 1:100 años

MUROS PROTECCION TOMA Diseño con Avenidas, Período de Retorno 1: 50 o 1:100 años Salida del canal de LIMPIA y e desrripeador

Fuente. “Applied Hydraulics”. P. Novak. Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26. “Desing of Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation. Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.

DISEÑO DEL VERTEDERO DE DEMASIAS

BARRAJE Caudal de Diseño: Avenidas, Período de Retorno 1: 50 ó 1:100 años Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.

BARRAJES • DEFINICION Es una represa construida a través del río con el objeto de elevar el nivel de agua, su altura debe ser tal que permita una carga de agua suficiente en la toma, para el ingreso seguro del agua considerando las pérdidas de carga que se producen en los muros, rejillas y compuertas en la toma.

TIPOS DE BARRAJE 1.- BARRAJE FIJO •

Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa solida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captacion.

•

Esta solucion es posible cuando el regimen del rio es uniforme y la capacidad de captacion de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulacion, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa.

TIPOS DE BARRAJE 2.- BARRAJE MOVIL •

•

•

En este tipo de barraje se consigue la retencion del caudal y elevacion del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contencion. Es conveniente esta solucion cuando el caudal de la captacion es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio . Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas. Las compuertas pueden ser RADIALES o DESLIZANTES.

BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS RADIALES

BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS DESLIZANTES

TIPOS DE BARRAJE 3.- BARRAJE MIXTO •

Tienen una parte de la presa integrada por una estructura solida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje movil). La parte movil tiene en ciertos casos muros guias o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado tambien desempedradores.

PERFIL DEL BARRAJE 1.0 TIPO CREAGER

2.0 TIPO INDIO

ELEMENTOS PRINCIPALES DEL BARRAJE Los elementos son: La presa propiamente dicha, La poza de Disipacion de Energia o colchon de disipacion, El enrocamiento

PRESA DERIVADORA

POZA DE DISIPACION DE ENERGIA

PROTECCION DE ENROCAMIENTO O MUROS DE ENCAUZAMIENTO

LONGITUD DE BARRAJE ALTUNIN

B  1.81 *

Q * Fb Fs

BLENCH

B

a* Q 1

S5 PETIT

B  2.45 * Q B= Ancho de Encauzamiento (m) Q= Caudal Maximo de Diseño (m3/seg) Fb= Factor de fondo Fs= Factor de orilla A =Parámetro que caracteriza al cauce S= Pendiente del Rio

Altunin Cauces estables Maza-Cruickshank Cauces Arenosos Blench Canales de Riego, en tramos de río con material fino Petit Cauce estable

ALTURA DEL BARRAJE Altura del Barraje , Hb Mediante la altura del Barraje se logra elevar o mantener el nivel de agua en el rio y derivar el caudal hacia el Bocal de Captacion Según Mansen y Rosell la altura del Barraje es: Hb= P + Ps (Altura de Socavacion, Evaluar con la profundidad de la Poza de disipacion) P = ho ( Alfeizer mayor de 0.60 metros) + hv ( Altura de la ventana de captación ) + hf ( pérdidas de carga en la Toma en la entrada, por rejas)

hf

CARGA SOBRE LA CRESTA DEL BARRAJE Qmax= Cd x L x ( Hd) 1.5 Qmax, Caudal Máximo en m3/seg Cd, Coeficiente de escurrimiento Según Novak, Cd=2.4 L, Longitud de Barraje en metros. Hd, Carga sobre la cresta incl. Hd,Carga de diseño Altura de velocidad. VELOCIDAD DE LLEGADA excluyendo velocidad de Flujo p + He = y + Hv p, Altura del Barraje en metros He, Carga Total en metros, incl. Alt.vel. y, Tirante aguas arriba del Barraje en metros Hv, Energía de Velocidad (v2/ 2g)

Hd = He –Hv

HV He

hv ho Ps Profundidad de socavacion, Ver Prof Poza de Disipacion

LONGITUD Y PROFUNDIDAD DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA En la practica no es usual considerar la longitud Total de la Poza la poza de disipacion para controlar el Salto hidraulico. Esta inversion es sumamente cara. Se puede reforzar la salida aguas debajo de la poza y generar el Salto sumergido. Calculo del Tirante Y1: Eo = E1 + hf (perdidas) Elo + P + Hdo + Hvo = El1 + y1+ Hv1+ hf (perdidas) Asumir Vo = 0, hf = 0.1 (v cresta)2/2g, y1 > 0.1, Continuidad. Calculo del Tirante Y2:



d1 d 2   1  1  8Fr12 2 Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.



V Fr1  gy1

Lpoza  5 y2  y1 

Para producir salto Hidraulico ahogado y2 < yn aguas debajo de la Poza de disipacion. No permitir que y2 > yn causa daños a la estructura, para evitar este caso bajar el nivel del piso de la Poza (r).

r = y2 – yn, r profundidad del piso de la Poza.

ALTURA DEL BARRAJE POR PROFUNDIDAD DE SOCAVACION (Ps) •

•

Ps = ds – yo La profundidad de socavación que producirá la avenida máxima de diseño define la profundidad de cimentación de las estructuras. Una de las expresiones propuestas es la de Lischtvav – Lebediev

Hs Profundidad de socavacion, Ver Poza de Disipacon

  a * yo 5 / 3 ds    0.28  0.68 * Dn *  

a

1/(1 X )

Q yo 5 / 3 * B * u

Ps= Profundidad de socavación, ds= Profundidad después de producirse la socavación, yo= tirante Normal de agua, B= Ancho efectivo en la sección, u = Coeficiente por efecto de contracción de los estribos. Dn= Diámetro medio de las partículas en mm, ß = Coeficiente que toma en cuenta el período de retorno con que se presenta el gasto de diseño. x = Exponente que depende de Dm. en mm.

ALTURA DEL BARRAJE PORPROFUNDIDAD DE SOCAVACION u

ų

ß

Dimensionamiento del barraje Para lograr una buena Estabilidad se sugiere la Metodologia que presenta Gomez Navarro.

1.- Esquematice el barraje y calcule las fuerzas: PESO, HIDROSTATICA, SUBPRESIONES, SUELO 2.- Considerar :

B (Base inicial del Barraje)= Ht / (Ɣc – 1) 1/2 Ht Altura de la carga Total aguas arriba del Barraje (m). Ɣc Peso Especifico del Concreto

3.-Calcular la ESTABILIDAD del Barraje

FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE Sobre la base de los datos del U.S Bureau of Reclamation , el U.S. Army Corps of Engineers , ha desarrollado varias formas stándar de vertederos. De alli que el perfil que se le da tiene la forma que seguirá la cara inferior de un filete de agua al verter sobre un vertedero, a fin de evitar la presencia de presiones negativas que causen cavitaciones. Es recomendable utilizar obras robustas ya que las delgadas pueden ser dañadas facilmente. El US Bureau recomienda la ecuacion siguiente:

Xn = K (Hd)n-1 Y

Donde : X,Y : Coordenadas del perfil de la cresta con el origen en el punto más alto de la cresta. Hd : Altura de diseño excluyendo la altura de velocidad del flujo aproximante. (mts.) K,n : Son parámetros dependiendo de la pendiente de la cara aguas arriba. Los valores de K y n.

Hd = He –Hv Hd,Carga de diseño

FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE

Xn = K (Hd)n-1 Y K

n

VERTICAL

2

1.85

3a1

1.936

1.836

3a2

1.939

1.81

3a3

1.873

1.776

Pendiente aguas

arriba

CURVA DE TRANSICION ENTRE EL VERTEDERO Y LA POZA DISIPADORA •

•

Con la finalidad de que el cambio de dirección que originan las aguas al pasar el vertedero a la poza de disipación de energía no sea brusco , usaremos como elemento de transición una curva circular. Algunos autores recomiendan variar R= 0.5 Hd a 2 Hd.

ß = Arc tang 1/ Z

T = R tang ß / 2 R = 0.5 Hd ó 2 Hd

LONGITUD DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA La minima longitud necesaria para el conjunto BARRAJE – POZA DISIPACION, sera aquella que contrarestre los efectos de la Subpresion y sifonamiento derivados de la infiltracion de las aguas. El agua que se desplaza bajo el barraje arrastra material fino creando Tubificaciones. Para este calcular la Longitud de la Poza y sus posibles protecciones proyectadas con dentellon o zanjas de proteccion, Krochin considera la siguiente fórmula: Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H Donde :  Lh:  Lv: CL: LC: H:

Suma de longitudes horizontales Suma de longitudes verticales Coeficiente de Lane que depende del material del rio. Distancia de ruptura compensada Diferencia d Carga Hidraulica entre la Cresta del barraje y la terminal de la Poza de disipacion ò diferencia de nivel de aguas arriba y aguas abajo.

VALORES DE COEFICIENTES DE LANE •

Krochin Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H

Donde :  Lh:  Lv: CL: LC: H:

Suma de longitudes horizontales Suma de longitudes verticales Coeficiente de Lane Distancia de ruptura compensada de la sección transversal Diferencia de carga hidrostática

ESPESOR DE LA LOZA DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA Para resistir el efecto de la Subpresion es recomendable que el colchon de la Poza de disipacion tenga un espesor adecuado para soportar al empuje que ocasiona la subpresion. La formula que permite calcular el espesor mas conveniente del solado es:

W > Sp W Peso de la estructura (Tn) Sp Subpresion Parcial (m) Sr Subpresion Total (m) Ɣc * A * e = Ɣ * A * Sp Ɣc Peso Especifico del concreto (Ton/m3) A Area de la base de la estructura (m2) e Espesor de la loza Ɣ Peso Especifico del agua (Ton/m3) Ɣc * e = (4/3) * Ɣ * Sp e = (4/3) * (Ɣ/ Ɣc) * Sp

Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.

Recomendaciones : El espesor debe de ser corregido por seguridad debe de ser al menos 0.80 m.

CANAL DE LIMPIA El canal de Limpia es una estructura de derivación que se proyecta al lado del barraje, justamente aguas debajo del Bocal de captación. El canal de Limpia lleva compuertas y se mantiene cerradas en estiaje pasando hacia el Bocal el flujo de agua. En avenidas estas compuertas pueden estar abiertas o cerradas dependiendo de la operación proyectada a limpiar sedimentos que se depositen en las cercanías . La velocidad mínima que debe de tener el flujo que pasa a través del canal de limpia es: Vc= 1.5 * c * d 1/2 Vc = Velocidad para iniciar el arrastre (m/seg) c = Coeficiente en funcion del tipo de material d = Diametro del grano mayor Tipo de material

c

Arena y grava redondeada

3.2

Grava Cuadrada (rectangular)

3.9

Mezcla de arena y grava

3.5 a 4.5

Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.

CANAL DE LIMPIA La Pendiente del canal es: Sc= n2 * g 10/9 / q 2/9 Sc = Pendiente Critica (%) g = Aceleracion de la gravedad (m/seg2) n = Coeficiente de Rugosidad de Manning q = Caudal unitario (m3/seg/m) Recomendaciones para diseñar el canal de Limpia: • El caudal a condiderar debe de ser al menos DOS veces el caudal a derivar, maximo el caudal medio del rio. • Pendiente aproximada para el canal 0.01 a 0.02. • El ancho de la zona de Limpia al menos Un DECIMO de la Longitud del Barraje. Su aplicación No es rigurosa, depende del diseñador. Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.

Gracias por su atencion. Ing Teresa Velasquez Bejarano [email protected] [email protected]

Ing. Teresa Velasquez B. Universidad Nacional Agraria la Molina.