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FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA

INFORME “DISEÑO HIDRÁULICO DE CANAL DE LIMPIA: COMPUERTAS Y TIPOS”

AUTORES: ALMANZA MUÑOZ, Sayda BUENO CONDORI, Marco SUÁREZ RAMOS, Edinson LEON RETUERTO, Victor ZAMUDIO LOARTE, Melissa

PROFESOR: ALMONACID FLORES, Kliver Luis

LIMA – PERÚ (2018 – II)

Contenido:

I. INTRODUCCIÓN................................................ Error! Bookmark not defined. II. OBJETIVOS ...................................................... Error! Bookmark not defined. III. CANAL DE LIMPIA .................................................................................... 4 GENERALIDADES ..................................................Error! Bookmark not defined. DEFINICIÓN…………………………………………………………………………………………………….5 IV. DISEÑO HIDRAULICO…………………………………………………………………………………5 ANCHO EFECTIVO DEL CANAL DE LIMPIA ......................................................... 6 ALTURA DEL CANAL DE LIMPIA…………………………………………………………………......8 VELOCIDAD…………………………………………………………………………………………………….9 PENDIENTE DEL CANAL DE LIMPIA……………………………………………………………….11 ESTRUCTURA DEL CANAL DE LIMPIA………………………………………….…………………13 COMPUERTAS DE LIMPIA………………………………………………………………………….....14 TIPOS DE COMPUERTAS……………………………………………………………………………….15 CAUDAL DEL CANAL DE LIMPIA…………………………………………………………………....16 APLICACIÓN DEL DISEÑO HIDRÁULICO DE CANAL DE LIMPIA…………………….....18 V. RECOMENDACIONES DE DISEÑO…………………………………………………………….…19 VI. CONCLUSIONES………………………………………………………………………….……..….…20

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I.

INTRODUCCIÓN Una adecuada explotación delos recursos hídricos influye en el crecimiento

rápido de una población, por lo cual tenemos en nuestras manos la obligación de que estos recursos naturales sean debidamente aprovechados mediante obras hidráulicas que además de abastecer de agua y energía a una población, brinde una estabilidad tal que ante la ocurrencia de avenidas, nos brinde un comportamiento óptimo.

Lamentablemente ante la presencia de fenómenos climáticos inminentes que ocurren en toda zona nos hace reflexionar acerca de los parámetros de diseño de estructuras hidráulicas. Por lo que se debe tener en cuenta los arrastres de sedimentos de las cuencas y de los ríos, especialmente si pensamos en obras de captación de agua, con la finalidad que los azolves no se acumulen al extremo en la estructura y aporten con el aumento del volumen muerto, reduciendo así el período de vida útil de la misma.

II.

OBJETIVOS El presente Trabajo de Investigación tiene como objetivo:



Conocer los criterios de diseño de un canal de limpia.



Conocer el Diseño de una Bocatoma, específicamente en los puntos de: Canal de Limpia: compuertas.



La Aplicación de los diseños de un canal de limpia a través de ejemplos.

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III.

CANAL DE LIMPIA O BARRAJE MÓVIL

A. GENERALIDADES

Elimina el material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Para determinar el ancho del canal de limpia se debe considerar: El canal de limpia debe transportar por lo menos dos veces el caudal a derivar o debe ser igual al caudal medio del río. El ancho debe ser un décimo de la longitud del barraje. En las estructuras de derivación se tiene siempre el problema de acumulación de sedimentos y estos traen problemas de funcionamiento de la obra, bajo aprovechamiento, aumento de costos de operación y conservación y suspensión temporal del servicio de riego. Este canal de limpia ubicado entre la ventana de captación y el barraje fijo da lugar al denominado barraje móvil, cuyo fin es evitar la acumulación de material sólido frente a la ventana de captación. En épocas de avenidas sirve para desaguar parte del caudal de agua. El ingreso de las aguas es controlado por un sistema de compuertas.

Figura 01. Vista en Planta Canal de limpia

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B. DEFINICIÓN El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

Figura 02. Canal de limpia

IV.

DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO La zona de limpia de gruesa está controlada por compuertas, las cuales permiten

la eliminación de sedimentos acumulados delante de las ventanas de captación. Se hará la comprobación del caudal que pasa por debajo de las compuertas, justificando la elección de las dimensiones.

A) ANCHO EFECTIVO DEL CANAL DE LIMPIA El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:

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Este ancho sirve de referencia para el cálculo inicial pero siempre es recomendable que se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre, sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.). Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho mínimo sea de 5 metros o múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación recomendable para normar el ancho del canal de limpia. Para el diseño del ancho efectivo del canal de limpia se toma como valor la décima parte del ancho del rio (60m), el ancho efectivo del canal de limpia es 6m, este ancho efectivo no considera el ancho de los 4 pilares de diseño, solo considera el ancho de las 3 compuertas que es por donde pasará el agua. Para el ancho de compuertas se considera necesario y con criterio considerar 2m , teniendo así 3 compuertas de 2m de ancho, para un ancho efectivo total de canal de limpia de 6m

A continuación, se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de limpia:

a. Caudal en la zona de limpia Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del rió.

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b. Velocidad en la zona de Limpia Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s c. Ancho de la zona de Limpia Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje.

El ancho del canal de limpia debe tener las siguientes características:

 El caudal debe ser por lo menos el doble de la capacidad de la toma o derivar el caudal medio del río.  La velocidad del agua en el canal de limpia debe variar entre 1.50 y 3.00m/s o por lo menos debe ser igual a la velocidad de arrastre.  Se recomienda que su ancho sea un décimo de la longitud del barraje. Este ancho sirve de referencia y es recomendable que se disponga de un ancho que no se obstruya con el paso de los materiales de arrastre sobre todo al de suspensión (troncos, ramas basura, etc.).  Para ríos con anchos de encauzamiento grandes, se recomienda que tenga un mínimo de 5.0 metros o múltiplos de esta medida con el objeto de normalizar el ancho de compuertas y pilares de separación.

El ancho de la compuerta de define de la siguiente manera:

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Figura 03. Distribución de compuertas en canal de limpia Una vez definido el ancho del canal de limpia, puede definirse la longitud del barraje, de la siguiente manera:

Donde: Lp: Longitud del barraje, en m. Br: Ancho de encauzamiento, en m.

B) ALTURA DE LA COMPUERTA DE LIMPIA Para el análisis se considera que todo el caudal máximo instantáneo pasa por el barraje, la zona de las compuertas completamente abiertas, y las ventanas de captación se mantienen cerradas. Podemos establecer la siguiente relación:

Donde: Qmax: Caudal máximo instantáneo, en m3/s. Qb: Caudal sobre el barraje, en m3/s. QL: Caudal por las compuertas de limpia, en m3/s.

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La carga de agua sobre el barraje está dada por la fórmula del vertedero:

Dónde: CP: Coeficiente de descarga, en m112/s H0 : Carga de agua sobre el barraje, incluye carga de velocidad. Lp: Longitud del barraje, en m.

La descarga a través de la compuerta es sumergida, aplicando Bernoulli entre la sección 11 y debajo de la compuerta se obtiene, el caudal de descarga, de la siguiente manera:

Dónde: CL: Coeficiente de descarga de la compuerta (CL = 0.97 *e) e: Coeficiente obtenido de la tabla No 7.02. hL: Altura de la compuerta, en m. /J. Z: Perdida de carga, en m. La energía en la sección 13 es igual a:

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Entre las secciones 11 y 13 se cumple la siguiente relación:

Dónde: tL: Profundidad de la poza, en m. P: Altura del barraje, en m. Ha: Carga de agua sobre barraje, en m. Y13 = Ymax: Tirante del río para caudal máximo instantáneo, en m.

Figura 04. Perfil Canal de Limpia

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C. VELOCIDAD Para el diseño del canal de limpia se tiene que hacer el cálculo de la velocidad, este se realiza en función del coeficiente de acuerdo al tipo de material de suelo en este caso se tiene una mezcla de grava y arena, y en función al diámetro del grano mayor, la velocidad del canal de limpia calculada tiene el valor de 1,025m/s, esta velocidad es la mínima por el sedimento y tiene que ser menor que la velocidad calculada para el manejo del canal de limpia. En lo referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula:

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El siguiente ábaco (ver figura 02), permite obtener la velocidad de arrastre requerida en el canal de limpia, conociendo el tamaño del grano a arrastrar.

Figura 05. Relación entre Velocidad requerida para el arrastre y el tamaño del gramo

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D. PENDIENTE DEL CANAL DE LIMPIA

Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de limpia. La fórmula recomendada para calcular la pendiente crítica es:

Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de la ventana de captación debe estar por debajo del umbral de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador.

E. ESTRUCTURAS DEL CANAL DE LIMPIA El canal de limpia o barraje móvil tiene generalmente un muro guía que separa el barraje fijo del móvil y permite encauzar mejor el flujo hacia el canal de limpia, y puede continuar hacia aguas abajo separando la poza de disipación en dos segmentos.

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F. COMPUERTAS DE LIMPIA Debiéndose mantener limpia de sedimentos transportados por el río la zona inmediata a la captación se debe dotar a la bocatoma de compuertas de limpia. CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO: Área de la sección transversal de la compuerta de limpia debajo de la corona de aliviadero varía de 1 a 2 veces el área de la ventana de captación.

Área de la compuerta de limpia debajo de la cresta del aliviadero es 1/10 del área atajada por el aliviadero.

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G. TIPO DE COMPUERTA El tipo de compuerta puede ser de vagón o stoney, radiales y deslizantes.

Figura 07. Tipos de compuerta en canal de limpia

 COMPUERTA STONEY Consiste en una placa plana de acero reforzado con una estructura generalmente en celosía y rodillos en hierro fundido; sus dimensiones varían según los requisitos de la apertura y su espesor es determinado por la presión del agua. Ha sido diseñada para cerrarse por gravedad.

 COMPUERTA RADIAL MÓVIL Se acciona a través de motores ubicados en las casetas naranjas.

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 COMPUERTA DESLIZANTE Al ser accionadas, se deslizan por unos rieles guías fijos, y pueden ser movidas por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeñas cabezas de hierro, el espesor y el material de la compuerta dependerá de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas.

Figura 08. Compuerta deslizante

H. CAUDAL DE CANAL DE LIMPIA Considerando que cada compuerta funciona como vertedero cuya altura P = 0 tendremos

Para el nivel de agua en la cresta del aliviadero se verán las condiciones intermedias para el funcionamiento de la compuerta para diferentes gastos de salida por ella funcionando como orificio, no debiendo ser este menos de 0.10 m. debido a que las piedras arrastra el río pueden dañar el labio inferior de la compuerta.

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Para el orificio se tendrá:

Figura 03. Canal de limpia

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I. APLICACIÓN DEL DISEÑO HIDRÁULICO DE CANAL DE LIMPIA

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V.

RECOMENDACIONES DE DISEÑO Su trazo es perpendicular al eje del barraje y su flujo en el mismo sentido del río, puede formar ángulos entre 60° y 90° con el eje de captación. Para separar el canal de limpia del tramo de barraje fijo se construye un muro guía que permite encauzar mejor las aguas hacia el canal de limpia.

A) Velocidad de arrastre en canal limpia

En lo referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad VL capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de VL está dada por la siguiente formula:

Donde: V{: Velocidad requerida para iniciar el arrastre, en m/s. C: Coeficiente en función del tipo de material, 3.2 para arena y grava redondeada, grava rectangular 3.9, de 3.5 a 4.5 para mezcla de arena y grava. d: Diámetro del grano mayor, en m.

B) Consideraciones finales en el canal de limpia

El canal de limpia o barraje móvil tiene generalmente un muro guía que separa el barraje fijo del móvil y permite encauzar mejor el flujo hacia el canal de limpia, y continua hacia aguas abajo separando la poza de disipación en dos segmentos.

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VI.

C0NCLUSIÓN

Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el éxito de un proyecto. Si por una razón u otra se produce una Falla importante en la obra de toma, esto significaría la posibilidad del fracaso de todo el proyecto de aprovechamiento hidráulico. En consecuencia, tanto el diseño como la construcción, la operación y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el máximo de seguridad.

El canal de limpia es la estructura que se instala en las obras de captación con el objeto de eliminar los sedimentos que se depositan al ingreso del bocal de toma y que permite mejorar la captación en las épocas de estiaje especialmente en ríos con gran variación de caudales.

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