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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil

Departamento Académico de Ingeniería de los Recursos Hídricos

SEGUNDO TRABAJO ESCALONADO TEMA

: DISEÑO DE BOCATOMA

CURSO

: ABASTECIMIENTO ALCANTARILLADO.

ALUMNO

:  CUBA ESPINOZA GERMAN JHORDIN

DOCENTE

: ING. JOSE ANTONIO CORONEL DELGADO.

   

DE

AGUA

Y

OLANO RUBIO JHOSVER RODRIGUEZ SOBERON NIXON CARLOS RUBIO VARGAS YOVER VASQUEZ HERRERA ELSY

Jaén SEPTIEMBRE del 2013

INDICE. 1

ABASTECIMIENTOS DE AGUA Y ALCANTARILLADO DE BOCATOMA

DISEÑO

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I.

INTRODUCCION …………………………………………………………………………………… 3

II.

OBJETIVOS …………………………………………………………………………………… 4

III.

REVICIO LITERARIA ………………………………………………………………………………….. 7

IV.

CALCULOS DISEÑO ……………………………….. ……………………………………………. 17

V.

CONCLUSIONES ……………………………. …………………………………………………… 19

VI.

BIBLIOGRAFIA …………………………………………………………………………………… 20

2

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I.

Todo lugar donde habitan grupos de personas requieres tener los servicios básicos de agua potable y alcantarillado para tener un mejor nivel de vida. Para esto se realizara el llamado “Abastecimiento de Agua y Alcantarillado”. El sistema de Abastecimiento de Agua Potable es el conjunto de obras que tienen como finalidad entregar el agua a los consumidores en el lugar que se requiera, con la presión suficiente, cantidad necesaria, calidad adecuada y, sobre todo, continuidad en el servicio. Una vez realizados los cálculos de los caudales necesarios para cubrir las necesidades de agua potable de una comunidad, el siguiente paso es la localización y selección de los recursos que ofrezcan, no solo dicha cantidad, sino economía de construcción y explotación, para ello se tienen diversos criterios como pueden ser la cercanía al punto de destino lo que será favorable en la economía de transporte del agua, calidad del agua en origen que incidirá de forma determinante, sobre los costos de potabilización y tratamiento (para una ciudad costera el recurso más próximo será el agua por medio de pozos, pero su costo de extracción es más elevado por el sistema de bombeo que se utiliza). Seguridad en el suministro relacionada con las fluctuaciones estacionales, tanto de la cantidad de recurso como de su calidad, así como la influencia de condicionantes meteorológicos, geológicos, etc. Frecuentemente, puede ser necesario almacenar parte del recurso excedente en ciertas épocas del año, para compensar la escasez en otras (regulación).Topografía de la zona que permitirá o no conducirla por gravedad a su punto de consumo, así como que esto se realice mediante obras más o menos sencillas. Posibilidades de ampliación que permitirán o no, resolver el problema a más largo plazo del previsto inicialmente por el estudio. Solucionado este punto, es necesario pensar en su captación sea esta: superficial, cuando el recurso utilizado se encuentra por encima de la corteza terrestre (ríos, lagos de agua dulce, embalses, etc.) o subterránea, cuando el recurso se encuentra profundo.

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II.



OBJETIVOS GENERALES:  El principal objetivo de éste trabajo es el de diseñar cada una de las obras hidráulicas que forman parte de la bocatoma.



OBJETIVOS ESPECIFICOS:

 Captar el agua necesaria para llevarlo por el canal de conducción y está a su vez abastecer a la zona de distribución.

 Calcular las dimensiones del barraje, bocal, vertedero, canal de conducción y desarenador.

compuerta,

 Tratar de optimizar los recursos económicos el campo con materiales para la construcción.

 Aprender a ingeniarnos como profesionales de esta rama ante los problemas presentados en nuestra realidad.

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III. 

REVISIÓN LITERARIA

BOCATOMA Se define así a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un rió, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su utilización en una central hidroeléctrica. En este curso sólo trataremos de aquellas tomas que captan en forma directa las aguas del río sin ninguna estructura de almacenamiento; tipo presa. Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos:  Ubicación: Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del rió, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones: a) La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida. b) La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje. c) La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible. 5

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 Topografía: Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos: a. Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000. b. Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de 100m. x 100m. como mínimo, la escala no debe ser menor de 1:500. c. Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 Y V = 1:200. d. Secciones transversales del cauce del río a cada 50m. en un tramo comprendido 1000m. aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del barraje; la escala variara entre 1:100 y 1:200.  Condiciones Geológicas y Geotécnicas: Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos – geotécnicos: a. Curva de graduación del material conformarte del lecho del río b. Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma. c. Coeficiente de permeabilidad. d. Capacidad portante e. Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes o tabla, estacas f. Cantidad de sedimento que transporta el río.  Información hidrológica: Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que esto permitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son: a. Caudal del diseño para una avenida máxima. 6

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b. Caudales medios y mínimos. c. Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.  Condiciones Ecológicas: Siempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este desequilibrio causado por la bocatoma; aunque debemos reconocer que, en nuestro país estas estructuras son de costo elevado y que siempre se tratan de obviar por limitaciones presupuéstales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones.



TERMINOLOGÍA DE UNA CAPTACIÓN: a) VENTANA DE CAPTACIÓN O BOCAL: Es la que permite la entrada del agua desde el río al canal de derivación. Puede ser orificio, vertedor o compuerta. b) Barraje: Mantiene un tirante adecuado en el río. Puede ser: Fijo (cuando la carga hidráulica, H, es constante); móvil (cuando la carga, H, es variable); mixto (cuando una parte es fija y la otra móvil). c) Compuerta de Limpieza: Permite la evacuación de sólidos atrapados aguas arriba del Barraje. d) Canal de Limpieza: Conduce el flujo conteniendo sólidos que fueron atrapados aguas arriba del barraje. Funciona cuando se abre la compuerta de limpia. e) Muros de Contención: Fundamentalmente, ayudan a la estabilización de la estructura. 7

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f) Limitador de Gasto: Consiste fundamentalmente en una escotadura o vertedor lateral que se le hace al canal en una de sus paredes con el fin de verter el agua excedente que viene por la ventana de captación, ya que el canal de riego se diseña para la capacidad de derivación normal en la toma y un caudal mayor ocasionaría su derrame y posible deterioro al rebosar el borde libre que se asigna al canal. g) Barraje Fusible: Es un obstáculo de enrrocamiento, semejante a un terraplén pero con la característica de tener que fallar por acción del empuje del agua cuando aguas arriba de él la altura de agua corresponda  DESARENADOR: Estructura que tiene por finalidad, separar las partículas gruesas del agua, que se encuentran en suspensión. Generalmente un desarenador consta de 4 zonas: a) ZONA DE ENTRADA.- Compuesta por una transición que une el canal de conducción; en algunos casos tubería y la zona de desarenación. La longitud de transición tiene la función de distribuir uniformemente las líneas de flujo dentro de la zona de desarenación; evitará también que se produzcan los llamados corto circuitos y por consiguiente la formación de zonas muertas en la estructura. En ésta zona se ubican dos compuertas para orientar el flujo hacia la compuerta de limpieza. b) ZONA DE DESARENACION.- Esta es la zona donde se llevará a cabo el recojo de las partículas analizadas; las partículas se recogerán en el fondo de la misma. c) ZONA DE SALIDA.- Estará conformada por un vertedero que mantendrá la velocidad que no altera a los sedimentos. d) ZONA DE LODOS.- Es la zona que posee una pendiente favorable para la compuerta de limpia.

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IV. CÁLCULOS DE DISEÑO DE LAS OBRAS DE LA BOCATOMA

DISEÑO DEBOCATOMA DATOS Caudal Máximo del Rio Caudal Mínimo del Rio

1.-

20 m3/seg 4 m3/seg

ESTIMANDO EL ANCHO DE ENCAUZAMIENTO DEL RIO a) Blench dónde: ancho de B= encauzamiento caudal máximo de Q= diseño b)Altunin

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Fb= factor de fondo Fs= factor de orilla parámetro que a= caracteriza el cauce S= pendiente del rio

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL c)Petit Considerando Fb= Fs= a= S=

1.5 0.02 1.1 2.00%

ANCHO DEL RIO según B Blench 70.10 Altunin 10.76 petit 10.96 promedio 10.86 tomaremos un ancho de

10 m

2.-TIRANTE NORMAL DEL RIO Asumiendo que el rio es de sección rectangular aplicamos la ecuación de Maning Considera ndo n= 0.035

yn= A= P= R=

0.69 m 6.9 m2 11.38 m 0.61 m

APOYANDOSE CON HCANALES

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COEFICIENTE DE MANNYNG

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CANAL DE 3.- CONDUCCION El canal de derivación será de sección trapecial y de máxima eficiencia

0.30 m.

BL=yn/3 =

0.10 m

0.31 m. 0.35 m.

P=2√3y R=y/2

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Según la fórmula de Maning se tiene:

dónde: Q=Qmaxd= S= n= y= CARACTERISTICAS A= B= P= R= T=

0.178 m3/seg 0.0025 0.013 0.3057 m

0.16 0.35 1.06 0.15285 0.71

m2 m m m m

Apoyándose con Hcanales

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4.-DISEÑO DEL BARRAJE Según recomendaciones del Ing. NOSAKI P=3y cuando Q10m3/s dónde: y es tirante del canal de conducción Como Q=20 m3/seg>10m3/seg

Se toma P=2y=

0.61 m

o también P=yrio+yrio/3

Por tanto se tomará P=

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P= 0.92 m

0.92 m

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Canal Rectangular de máxima eficiencia

Según Maning:

Ventana de Captación BL L

h HO

hO

Altura para evitar ingreso material de arrastre

Se diseñará como vertedero con la siguiente fórmula:

dónde: Q: caudal max. Diario= c: coeficiente de vertedero= L: Longitud de la ventana = h: altura de la ventana = h= 0.1 16

m3/se 0.178 g 1.84 1.50 0.20 m

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL 6 Para la altura del barraje se tendrá en cuenta lo siguiente:

dónde: h0: altura para evitar ingreso de material de arrastre (se recomienda mayor que 0.60m) h: altura de la ventana de captación, 0.20m sumado por seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y de coeficientes de la fórmula P=

1.00 m

Como se ha podido apreciar se ha calculado mediante tres métodos la altura del barraje por tanto para el diseño se considerará: P=

Cálculo de

1.00 m

hmax y

hmin

Q= caudal máximo o mínimo del rio 2.21 cuando la presa es M= perpendicular al rio ancho del b= rio h= carga de agua máxima o mínima

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Sección y dimensiones del barraje 2 V /2g o

hmax B

C

E

P

D

G e

F

J

K

A L'

Según la tabla SEGMENT O A E C D F B G J K

P=H=1 0 5.00 4.20 0.80 1.72 1.00 0.70 0.25 0.50 0.40

5 10.00 5.20 4.70 2.80 1.00 0.70 0.50 0.50 0.40

P=H=2 0 9.00 7.40 1.50 3.50 1.50 0.90 0.40 0.60 0.50

5 14.00 8.40 5.50 4.50 1.50 0.90 0.60 0.60 0.50

P=H=3 0 13.00 10.60 2.40 5.20 1.90 1.20 0.50 0.70 0.60

5 18.00 11.60 6.40 6.20 1.90 1.20 0.70 0.70 0.60

DATOS 18

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL P= h=

1.00 0.94

INTERPOLANDO SEGÚN LA TABLA

CUADRO DE RESUMEN DE DIMENSIONES DE BARRAJE LADO DIMENSION A 5.94 m* E 4.39 m C 1.53 m D 1.99 m F 1.00 m B 0.70 m G 0.30 m J 0.50 m K 0.40 m

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CURVA DE REMANSO

H0 Z0 Z P Yn L Se tiene la siguiente formula que nos permite encontrar el nivel de agua a una longitud "L" del pie del barraje.

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Para

DATOS

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P= H0=

1.00 0.94

S= Yn= Z 0=

0.02 0.69 1.25

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ESTABILIDAD DEL BARRAJE FUERZA HIDROSTATICA

hm ax=0.94 m  hm ax

P=1.40m

P

FH dH

 (hmax+hmax+P) DATOS hmax= P= γ= 22

0.94 0.00 1.00 0.00 1000 Kg/m3

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL B=

1 m

FH=γ(hmax+hmax+P)P*B/2 FH=

dH=

1435.60 kg

0.44 m

PESO DE LA ESTRUCTURA

W 1680.00 1836.00 1188.00 331.20 4406.40 252.00 672.00 10365.60

W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 Σ W= dw=

xi 6.27 5.41 6.37 5.99 3.06 0.50 0.20

W*xi 10533.60 9932.76 7567.56 1982.78 13483.58 126.00 134.40 43760.69

10365.60 Kg 4.22 m

FUERZA DE SUPRESIÓN

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SP=SUBPRESION h=CARGA POR PERDER =1.94 m b=ANCHO DE LA SECCION c'=UN FACTOR DE LA SUBPRESION = 1 (SUELO PERMEABLE) h'=PROFUNDIDAD DE UN PUNTO CUALQUIERA CON RESPECTO AL PUNTO "A" DONDE INICIA EL RECORRIDO DE FILTRACION. hx/L=CARGAPERDIDA EN UN RECORRIDO X

CONTROL DE FILTRACION METODO DE LANE LT=LH/3+LV Para LH: BC= 0.5 DE= 5.02 FG= 0.4

Para LV AB= 0.99 CD= 0.80 EF= 0.76 GH= 1.00 LV= 3.55

LH= 5.92

LT>C.∆h

LT= 5.52 m Dónde: C: Coeficiente de LANE ∆h: Diferencia de nivel

C= 4 ∆h= 1.94 5.53> 7.74

(Para grava fina) m

no cumple

Para solucionar este problema se aumentarán la profundidad de la cimentación de tal manera que aumentará el espesor del colchón disipador de energía Luego las dimensiones serian:

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Para LH: BC= 0.5 DE= 5.02 FG= 0.4

AB= CD= EF= GH= LV=

LH= 5.92 LT= LT>C.∆h

Para LV 2.00 1.46 0.95 1.50 5.91

7.88 m Dónde: C: Coeficiente de LANE ∆h: Diferencia de nivel C= 4 ∆h= 1.94

7.88> 7.74

(Para grava gruesa) m

si cumple

Por tanto se puede decir que la presa no fallara por filtración

CALCULO DE NUEVOS PESOS DE LA ESTRUCTURA

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W 1680.00 1836.00 2400.00 672.00 8812.80 324.00 864.00 16588.80

W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 Σ W= dw=

xi 6.27 5.41 6.37 5.99 3.06 0.50 0.20

W*xi 10533.60 9932.76 15288.00 4023.04 26967.17 162.00 172.80 67079.37

16588.80 Kg 4.04 m

FUERZAS DE SUPRESION

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PUNTO A B C D E F G H

h 1.94 1.94 1.94 1.94 1.94 1.94 1.94 1.94

h' 0 2.00 2.00 0.6 0.6 1.50 1.50 0

x 0 2.00 2.17 3.63 5.30 6.25 6.38 7.88

SUBPRESION 0.00 Kg/m 3447.82 Kg/m 3406.81 Kg/m 1647.52 Kg/m 1235.73 Kg/m 1901.95 Kg/m 1869.13 Kg/m 0.00 Kg/m

DIAGRAMA DE SUBPRESIONES 0

1

2

3

4

5

6

7

0.00 500.00 1000.00

DIAGRAMA DE SUBPRESIONES

1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 3500.00 4000.00

A5 A4

A6

A7

A3

A8 A9

A2 A1 A1 27

AREA 10.25

xi 6.45

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Axi 66.17 DISEÑO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 Σ Fs= ds=

879.64 351.86 370.61 8180.53 1033.59 99.93 253.36 6.56 11186.34 11186.34 Kg 3.70 m

6.37 5.99 6.17 3.31 4.05 0.50 0.20 0.27

5603.34 2106.46 2286.66 27077.55 4182.59 49.97 50.67 1.75 41425.16

ESFUERZOS EN EL TERRENO Condiciones de equilibrio: ΣFv=0 Ry+Fs-W=0 Ry=W-Fs Ry=5402.46

dy=

28

4.63 m

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ECUACION 1

ECUACION 2 Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene:

ANALISIS DE ESTABILIDAD POR VOLTEO Ma=

42059.62404

Mr=

67079.368

Mr/Ma= 1.59

> 1.2 (No falla por volteo)

ANALISIS DE ESTABILIDAD POR CORTE CONDICIONES Fz>FH Para que no falle por corte, caso contrario aumentar 1.- el área de la base. F= z Abase ; A= área de la base de la estructura 2.- (bx1) m2. 29

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA – SECCION JAEN INGENIERIA CIVIL Z= 15% σc ; σc = esfuerzo de compresión del concreto (140 3.- Kg/cm2) -SI Fz>FH

FH= 1435.60

F= z Abase

Abase=

kg

6.62 m2

σc=140Kg/cm2=1400000Kg/m2 Z= 15% σc

Z= 15% σc Z=

210000 Kg

Reemplazando Fz= 1390200 kg Fz>FH cumple

DISEÑO DE COMPUERTA Cálculo de Hmin y Hmax P= hmax= hmin= z (umbral)=

1.00 0.00 0.94 0.00 0.32 m 0.6 m

P+hma x-Z P+hmi n-Z

Hmax= Hmin=

1.34 m 0.72 m

Ecuación de las compuertas QD= Cd (Área compuerta)√2g(hmin-d2) Cd=

0.6 (Coeficiente de descarga) (Área de circulación o área del orificio de la Ac=Bd compuerta) d2=Ccd Cc= 0.62 (Coeficiente de contracción)

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DATOS DE CANAL EN LA COMPUERTA Hmin= 0.72 B= 0.58 m QD= 0.178 m3/seg d= 0.15 m d2= 0.09 m Cálculo del caudal excedente (∆Q):

Datos: QD= 0.178 m3/seg Hmax= 1.34 m QD+∆Q= 0.26 m3/seg ∆Q= 0.08 m3/seg

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Hmax

Hmin

1

Resumen de cálculo de dimensiones B=

0.58 m

d=

0.15 m

d2=

0.09 m

DISEÑO DE VERTEDERO LATERAL Número de Froude (Fr)

Q= A= g= y=yn=

0.178 0.17 9.81 0.29

Fr= 0.629

32

m3/seg m2 m/s2 m Fr