UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DEHUAMANGA FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA AGRÍCOLA "PROGRAMA PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE BOCATOMAS TIPO BARRAJE CON EL VISUAL BASIC 9.0- HUAMANGA­ AYACUCHO- 2011" TESIS PARA OPTAR EL TITUW PROFESIONAL DE: ... INGENIERO AGRICOLA PRESENTADO POR: ... ... CESAR VIDAL GUTIERREZ NINAHUAMAN AYACUCHO - PERÚ 2014 'test5 T.A¡:;,~y &.>\ t:J•'- "PROGRAMA PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE BOCATOMAS TIPO BARRAJE CON EL VISUAL BASIC 9.0- HUAMANGA- AYACUCHO, 2011" Recomendado Aprobado 10 de Octubre del2014 29 de Octubre del2014 --------------------- --...,¡."--4-..,...-- M.Sc. ÉN ALFREDO MENESES ROJAS Presidente del jurado Ing. LEONIDAS ALEJANDRO ARIAS BALTAZAR Miembro del jurado Decano de Facultad de Ciencias Agrarias A Dios ante todo, por permitirme la vida, darme la sabiduría y guiar mi camino. ' A mis padres Valentín Gutiérrez H., y Juana Ninahuamán Ch. a mis hermanos Jorge, Andrea, Rolanda, Froilán, Artemio, Uvaldina, y toda mi familia, por su apoyo, consejos, y darme el aliento para salir a delante. AGRADECIMIENTOS A mis padres responsables de mi existencia, que deseosos de verme alcanzar mis metas, me enseñaron que todas las cosas se logran con el deseo de quererlos lograr. Agradezco de todo corazón a mis hermanos y demás familiares por su paciencia, compresión y apoyo en todo momento. A mis amigos de la Universidad Nacional de San de Cristóbal de Huamanga por darme el aliento, confianza y no desvanecer en el desarrollo de mi trabajo de investigación, gracias nuevamente a ellos. Al lng. Jorge E. Pastor Watanabe por apoyarme con el asesoramiento de la presente tesis. ¡¡ RESUMEN El presente trabajo de tesis muestra el desarrollo de un software de aplicación, para el diseño hidráulico y estructural de bocatomas tipo barraje. Se definirán en primera instancia los aspectos preliminares previos al diseño de bocatomas, seguidamente se realizará el diseño hidráulico, para finalmente concluir con el diseño estructural de esta obra hidráulica. El software desarrollado tiene la denominación "Diseño Hidráulico y Estructural de Bocatomas tipo Barraje", con su acrónimo DHEBB V2.0.0, es una herramienta que permite a estudiantes, profesionales, y personas inmersas en el tema de Bocatomas, hacer el diseño rápido, preciso y confiable de bocatomas tipo barraje, evitando de esta manera hacer el trabajo manual laborioso, y el uso de hojas de cálculo poco confiables, ya con el transcurso del tiempo cada usuario va modificando de acuerdo a sus necesidades, y datos con que cuenta en el momento del diseño. La presente aplicación consiste en: diseño del canal de derivación, definición del ancho de encauzamiento, coeficiente de rugosidad del río, características hidráulicas del río, diseño de ventanas de captación y zona de limpia, perfil del flujo ventana-canal de derivación, diseño de barraje vertedor, diseño del disipador de energía, determinación del contorno subterráneo de la presa, muro de encauzamiento y estudio de la curva de remanso, socavación del cauce, diseño de muros de encauzamiento, diseño de muros laterales, análisis de estabilidad del barraje. Adicionalmente el software tiene varias herramientas, cada una con diferente finalidad. La validación del software se realizó de acuerdo a la siguiente precisión: - Se usó el DHEBB V2.0.0 para diseñar una bocatoma, ubicada en el distrito de El Carmen, provincia de Churcampa, departamento de Huancavelica (Primeramente se realizó el cálculo manual, y posteriormente usando el DHEBB V2.0.0, al comparar los resultados se aprecia que coinciden exactamente). - Se usó el DHEBB V2.0.0 para diseñar una bocatoma existente, ubicada en la costa del Perú, provincia de Cañete, distrito de San Vicente. iii Finalmente, se presenta el manual de usuario sobre los procedimientos de cálculo a utilizar, con base a los ejemplos evaluados. El programa se desarrolló bajo la filosofía de la programación orientada a objetos utilizando el lenguaje de programación Visual Basic, trabajando con el Visual Studio 201 O, así como el Entorno de Desarrollo Integrado (lOE) Basic, para la creación de una interfaz gráfica de usuario de aplicación sencilla y práctica. iv ÍNDICE GENERAL Pág. Caratula Dedicatoria ........................................................................................... i Agradecimientos .................................................................................... ii Resumen ............................................................................................. iii Índice .................................................................................................. v Índice de figuras y gráficos ...................................................................... xiv Índice de tablas ..................................................................................... xviii l. INTRODUCCIÓN 1.0) INTRODUCCIÓN ............................................................................. 1 1.1) ANTECEDENTES ............................................................................ 2 1.2) PlANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. .................................................. 3 1.3) JUSTIFICACIÓN .............................................................................. 3 1.4) OBJETIVOS .................................................................................... 3 1.4.1) Objetivo general.. ...................................................................... 3 1.4.2) Objetivos específicos .................................................................. 4 11. REVISIÓN DE LITERATURA 2.0 GENERALIDADES SOBRE lAS ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN ........... 5 2.1) DEFINICIÓN ................................................................................... 5 2.2) PARTES QUE CONFORMA UNA ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN ........... 5 2.3) PRINCIPALES TIPOS DE BOCATOMAS ............................................. 7 2.4) CONDICIONES QUE DEBEN DE CUMPLIR lAS OBRAS DE CAPTACIÓN ......................................................................................... 9 2.5) CONDICIONES QUE DEBEN DE CUMPLIR LOS RÍOS .......................... 9 3.0 INFORMACION REQUERIDA PARA SU DISEÑO ................................... 10 3.1) UBICACIÓN .................................................................................... 10 3.1.1) Angula de derivación .................................................................. 10 3.1.2) Influencia de la curvatura ............................................................ 13 3.2) ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS ............................................................ 15 V 3.3) ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS ...................................... 15 3.4) ESTUDIOS HIDROLÓGICOS ............................................................. 16 3.5) ESTUDIO DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ................................... 17 3.6) ESTUDIO ECONÓMICO ................................................................... 17 3.7) CONDICIONES ECOLÓGICAS .......................................................... 17 3.8) OTROS REQUERIMIENTOS ............................................................. 18 4.0 HIDRAULICA FLUVIAL APLICADO AL DISEÑO DE BOCATOMAS ............ 19 4.1) TIPOS DE ESTABILIDAD .................................................................. 19 4.1.1) Estabilidad estática .................................................................... 19 4.1.2) Estabilidad dinámica .................................................................. 19 4.1.3) Estabilidad morfológica ............................................................... 19 4.2) GRADOS DE LIBERTAD ................................................................... 20 4.2.1) Escurrimiento con un grado de libertad .......................................... 20 4.2.2) Escurrimiento con dos grados de libertad ....................................... 20 4.2.3) Escurrimiento con tres grados de libertad ....................................... 20 4.3) GASTO FORMATIVO ....................................................................... 20 4.4) CAUCES ESTABLES ........................................................................ 21 4.4.1) Método de Blench ...................................................................... 22 4.4.2) Método de Altunin ...................................................................... 23 4.4.3) Método de Pettit. ....................................................................... 29 4.4.4) Otros métodos ........................................................................... 30 4.5) SOCAVACIÓN ................................................................................ 30 4.5.1) Calculo de la forma de socavación ................................................ 31 4.5.2) Calculo de la socavación general por contracción ............................. 32 4.5.3) Calculo de la socavación local en muros de encauzamiento ............... 36 5.0 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DEL RIO ....................................... 42 5.1) TALUD DE LAS MÁRGENES DEL RÍ0 ................................................ 42 5.2) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DEL RÍO ........................................... 42 5.3) CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO NATURAL. ...................... 46 5.4) CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO ENCAUZADO .................. 49 6.0 CANAL DE DERIVACIÓN ................................................................... 51 6.1) DEFINICIÓN ................................................................................... 51 vi 6.2) ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LOS CANALES ................................ 51 6.2.1) Relaciones geométricas en canales trapezoidales ............................ 52 6.2.2) Relaciones geométricas en canales rectangulares ............................ 53 6.3) FLUJO UNIFORME .......................................................................... 53 6.3.1) Velocidad en flujo uniforme .......................................................... 55 6.4) ESTIMACIÓN DE COEFICIENTES DE RESISTENCIA. ........................... 55 6.4.1) Formula de Bazin ....................................................................... 55 6.4.2) Formula de Ganguillet- Kutter ..................................................... 56 6.4.3) Formula de Manning .................................................................. 57 6.5) SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA. ............................... 58 6.5.1) Definición de los parámetros del canal de MEH ................................ 59 6.6) CRITERIOS DE DISEÑO PARA CANALES ........................................... 60 6.6.1) Velocidad máxima y mínima permisible .......................................... 60 6.6.2) Ancho de solera ........................................................................ 60 6.6.3) Borde libre ................................................................................ 61 7.0 PERFIL DEL FLUJO VENTANA DE CAPTACIÓN- CANAL DE DERIVACIÓN ....................................................................................... 63 7.1) DEFINICIÓN ................................................................................... 63 7.2) VENTANAS DE CAPTACIÓN ............................................................. 63 7.2.1) Rejillas en ventana de captación ................................................... 63 7.2.2) Altura de las ventanas de captación ............................................... 65 7 .2.3) Ancho de las ventanas de captación .............................................. 66 7.3) BARRAJE VERTEDOR O AZUD ......................................................... 66 7.3.1) Altura del barraje ....................................................................... 66 7.3.2) Longitud del barraje .................................................................... 67 7.3.3) Carga de agua sobre el barraje ..................................................... 68 7.4) ANÁLISIS HIDRÁULICO DEL FLUJO (VENTANA DE CAPTACIÓN- CANAL DE DERIVACIÓN) ................................................................................. 69 7.4.1) Dimensionamiento de la compuerta de admisión .............................. 71 7.4.2) Dimensionamiento del canal de aducción ....................................... 72 7.5) DIMENSIONAMIENTO DEL DESRIPIADOR. ......................................... 72 7.6) DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE TRANSICIÓN ............................ 74 7 .6.1) Definición del desnivel en transición .............................................. 75 vii 7.7) CAUDAL MÁXIMO DE DERIVACIÓN ................................................... 75 7.7.1) Diseño del vertedor de excedencias .................... , ......................... 76 7.8) COMPUERTA DE DESRIPIADOR. ..................................................... 79 7.9) PRINCIPALES COTAS VENTANA DE CAPTACIÓN - CANAL DE DERIVACIÓN ....................................................................................... 82 B.O DISEÑO DE LA ZONA DE LIMPIA ....................................................... 85 8. 1) GENERALIDADES .......................................................................... 85 8.2) DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO .................................................. 85 8.2.1) Ancho de la compuerta de limpia ................................................... 85 8.2.2) Altura de la compuerta de limpia ................................................... 87 8.2.3) Pendiente del canal de limpia ....................................................... 89 8.2.4) Velocidad en canal de limpia ........................................................ 89 8.3) RECOMENDACIONES DE DISEÑO .................................................... 90 8.3.1) Velocidad de arrastre en canal limpia ............................................. 90 8.3.2) Consideraciones finales en el canal de limpia .................................. 91 9.0 PERFIL DEL BARRAJE VERTEDOR. ................................................... 92 9.1) ASPECTOS GENERALES ................................................................. 92 9.2) CONDICIONES DE DISEÑO .............................................................. 92 9.3) CAPACIDAD DE DESCARGA. ........................................................... 94 9.4) COEFICIENTE DE DESCARGA. ........................................................ 94 9.4.1) Método de U.S. Bureau of Reclamation .......................................... 94 9.4.2) Método de Gehy (1982) ............................................................... 96 9.5) LONGITUD EFECTIVA DE LA CRESTA ............................................... 97 9.6) PERFIL DEL CIMACIO ..................................................................... 99 9.6.1) Perfil de cimacio criterio de diseño según el US Bureau of Reclamation (USBR) ............................................................................................ 102 9.6.2) Perfil de cimacio criterio de diseño según la Waterways Experiment Station (WES) .............................................................................................. 104 9.6.3) Radio de la curva de descarga (R3), ángulo del arco de círculo (a) .................................................................................................. 105 9.7) DEFINICIÓN DEL PERFIL DE CIMACIO AGUAS ARRIBA DE LA CRESTA .............................................................................................. 107 9.7.1) Trazos preliminares .................................................................... 1 08 viii 9.7.2) Trazos Definitivos ...................................................................... 108 9.7.3) Geometría del perfil del cimacio aguas arriba de la cresta .................. 109 10.0 DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA. .......................................... 113 10. 1) ASPECTOS GENERALES .............................................................. 113 10.2) DISIPADORES DE ENERGÍA. .......................................................... 113 10.3) EL RESALTO HIDRÁULIC0 ............................................................. 114 10.3.1) Resalto en canales rectangulares horizontales ............................... 114 1 0.3.2) Tipos de resalto hidráulico ......................................................... 115 1 0.3.3) Características hidráulicas del resalto .......................................... 117 10.3.4) Longitud del resalto .................................................................. 121 10.4) EL RESALTO HIDRÁULICO COMO DISIPADOR DE ENERGÍA .............. 122 10.5) TIPOS DE DISIPADORES DE ENERGÍA. ........................................... 125 10.5.1) Tanques amortiguadores ........................................................... 125 10.5.2) Estructuras del U.S. Bureau of Reclamation (USBR) ....................... 127 11.0 MOVIMIENTO DEL AGUA BAJO LA PRESA ........................................ 132 11.1) ASPECTOS GENERALES ............................................................... 132 11.2) ECUACIÓN DE DARCY EN MEDIOS POROSOS ................................. 132 11.3) DIMENSIONAMIENTO DE DENTELLONES ........................................ 133 11.4) EVALUACION DEL MOVIMIENTO DE AGUA BAJO LAS PRESAS .......... 135 11.4.1) Método de Bligh ....................................................................... 136 11.4.2) Método de Lane ....................................................................... 137 11.4.3) Método de Kamov .................................................................... 139 11.5) DEFINICIÓN DEL ESPESOR DEL SOLAD0 ....................................... 139 11.6) PROTECCIÓN AL FINAL DE LA ESTRUCTURA .................................. 141 11.6.1) Profundidad de escollera o enrocado ........................................... 141 11.6.2) Longitud de la escollera o enrocado ............................................. 142 11.7) FACTOR DE SEGURIDAD AL FENÓMENO DE TUBIFICACIÓN ............. 144 12.0 MURO DE ENCAUZAMIENTO Y ESTUDIO DE LA CURVA DE REMANS0 ........................................................................................... 145 12.1) ASPECTOS GENERALES ............................................................... 145 12.2) RÉGIMEN CRÍTICO ........................................................................ 146 12.2.1) Calculo del tirante crítico ............................................................ 147 ix 12.3) CÁLCULO DE LA CURVA DE REMANSO .......................................... 149 12.3.1) Clasificación de las curvas de remanso ........................................ 149 12.3.2) Métodos de cálculo de la curva de remanso .................................. 149 13.0 MURO DE ENCAUZAMIENT0 ........................................................... 173 13.1) ASPECTOS GENERALES ............................................................... 173 13.2) CARGAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS MUROS ................................... 174 13.2.1) Empuje del suelo ..................................................................... 174 13.2.2) Empuje del agua ...................................................................... 176 13.2.3) Empuje producido por la sobrecarga en el relleno ........................... 176 13.2.4) Empuje por la supresión del agua ................................................ 178 13.2.5) Fricción concreto- suelo ........................................................... 178 13.2.6) Reacción del terreno ................................................................. 179 13.3) ESTABILIDAD DEL MURO ............................................................... 179 13.3.1) Estabilidad al volteo .................................................................. 180 13.3.2) Estabilidad al deslizamiento ....................................................... 181 13.3.3) Hundimiento de la estructura ...................................................... 183 13.3.4) Incumplimiento de los factores de seguridad .................................. 186 13.4) DRENAJE .................................................................................... 186 13.5) MUROS DE GRAVEDAD ................................................................. 186 13.6) MUROS EN VOLADIZO .................................................................. 187 13.7) VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA A CORTE Y FLEXION (PANTALLA Y ZAPATA) ............................................................................................. 190 13.7.1) Verificación de los esfuerzos de corte .............................................. 190 13.7.2) Verificación de los esfuerzos de flexión ............................................ 191 13.8) REFUERZO MÍNIMO EN MUROS ..................................................... 192 13.9) FACTORES DE CARGA .................................................................. 192 13.10) FACTORES DE REDUCCIÓN DE CAPACIDAD ................................. 193 13.11) ACERO DE REFUERZO ................................................................ 193 14.0 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL BARRAJE ............................................ 195 14.1) ASPECTOS GENERALES ............................................................... 195 14.2) FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LA ESTRUCTURA ........................... 195 14.2.1) Peso propio (W) ...................................................................... 196 14.2.2) Presión hidrostática (Ew) ... ........................................................ 196 X 14.2.3) Subpresión (Es) ....................................................................... 197 14.2.4) Empuje de sedimentos o azolves (Ea) .................................... ...... 198 14.2.5) Empuje pasivo producido por el dentellón ..................................... 198 14.2.6) Peso del agua sobre el barraje ................................................... 199 14.2.7) Reacción del terreno (o') ............................................................ 201 14.2.8) Presión negativa en el cimacio .................................................... 201 14.3) CONDICIONES DE ESTABILIDAD .................................................... 201 111. MATERIALES Y MÉTODOS 15.0 MÉTODOS Y RECURSOS ................................................................ 202 15.1) METODOLOGÍA ............................................................................ 202 15.1.1) Actividades realizadas ............................................................... 203 15.2) RECURSOS USADOS .................................................................... 206 IV. RESUL TACOS Y DISCUSIÓN 16.0 EJECUCIÓN DEL PROYECTO .......................................................... 207 16.1) ALGORITMO PARA DE DISEÑO DE BOCATOMAS TIPO BARRAJE ...... 207 16.1.1) Algoritmo general del software .................................................... 207 16.1.2) Algoritmo para diseño de canal de derivación ................................. 208 16.1. 3) Algoritmo para la definición del ancho de encauzamiento ................. 208 16.1.4) Algoritmo para determinación del coeficiente de rugosidad del río ...... 208 16.1.5) Algoritmo para características hidráulicas del río ............................ 209 16.1.6) Algoritmo para diseño de ventanas de captación y zona de limpia ...... 209 16.1. 7) Algoritmo para definir el perfil del flujo ventana de captación - canal de derivación ......................................................................................... 21 O 16.1.8) Algoritmo para diseño de barraje vertedor ..................................... 211 16.1.9) Algoritmo para diseño del disipador de energía .............................. 212 16.1.1 O) Algoritmo para determinación del contorno subterráneo de la presa ............................................................................................... 213 16.1.11) Algoritmo para muro de encauzamiento y curva de remanso ........... 213 16.1.12) Algoritmo para determinación de la socavación del cauce ............... 214 16.1.13) Algoritmo para diseño de muros de encauzamiento ....................... 214 16.1.14) Algoritmo para diseño de muros laterales .................................... 215 16.1.15) Algoritmo para análisis de estabilidad del barraje .......................... 216 xi 16.2) DIAGRAMAS DE FLUJO PARA DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE BOCATOMAS TIPO BARRAJE. ................................................................ 217 16.2.1) Diagrama de flujo general del software ......................................... 217 16.2.2) Diagrama de flujo: Diseño del canal de derivación ........................... 219 16.2.3) Diagrama de flujo: Definición del ancho de encauzamiento ............... 220 16.2.4) Diagrama de flujo: Determinación del coeficiente de rugosidad del río ................................................................................................... 221 16.2.5) Diagrama de flujo: Características hidráulicas del río ....................... 222 16.2.6) Diagrama de flujo: Diseño de ventanas de captación y zona de limpia ............................................................................................... 223 16.2.7) Diagrama de flujo: Perfil del flujo ventana de captación - canal de derivación ......................................................................................... 225 16.2.8) Diagrama de flujo: Diseño del barraje vertedor ............................... 227 16.2.9) Diagrama de flujo: Diseño del disipador de energía ......................... 229 16.2.10) Diagrama de flujo: Determinación del contorno subterráneo de la presa .. -............................................................................................. 230 16.2.11) Diagrama de flujo: Muro de encauzamiento y curva de remanso ...... 231 16.2.12) Diagrama de flujo: Determinación de la socavación del cauce ......... 232 16.2.13) Diagrama de flujo: Diseño de muros de encauzamiento .................. 233 16.2.14) Diagrama de flujo: Diseño de muros laterales ............................... 234 16.2.15) Diagrama de flujo: Análisis de estabilidad del barraje ..................... 235 16.3) DESCRIPCIÓN DEL LENGUAJE USADO ........................................... 236 16.3.1) Visual Studio 2010 ................................................................... 236 16.3.2) Net Framework 4.0 ................................................................... 236 16.3.3) Visual Basic 2010 ..................................................................... 236 17.0 RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................. 237 17.1) SOFTWARE PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE BOCATOMAS TIPO BARRAJE (DHEBB V2.0.0) .......................................... 237 17.2) MANUAL DEL USUARIO DEL SOFTWARE DHEBB V2.0.0 .................... 238 17.2.1) Como ingresar al programa ........................................................ 238 17.2.2) Barra de Titulo ......................................................................... 240 17.2.3) Barra de menús ....................................................................... 241 17 .2.4) Principales herramientas ............................................................ 248 17.2.5) Módulos con las que trabaja el programa ...................................... 254 xii 17.2.6) Función de las herramientas dentro de los módulos ........................ 269 17.3) INSTALACIÓN DEL SOFTWARE ...................................................... 271 17.4) PRUEBA DEL SOFTWARE .............................................................. 274 17.4.1) Ejercicio de prueba, Diseño de la bocatoma "Fortaleza" ................... 274 18.0 DISCUSIÓN ................................................................................... 298 V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 19.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................... 300 19.1) CONCLUSIONES ........................................................................... 300 19.2) RECOMENDACIONES .................................................................... 301 VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................... 302 VIl. ANEXOS ANEXOS (Codificación del software) ANEXOS (Reporte del Diseño de la Bocatoma "El Carmen") xiii ÍNDICE DE FIGURAS Y GRAFICOS Pág. Figura No 2.01: Partes de una obra de captación ......................................... 06 Figura N° 3.01: Zona de estancamiento y depósito ....................................... 11 Figura N° 3.02: Variación de QFl con el ángulo e para una relación de toma QF constante ~1 = 0.5 .................................................................................. 12 Figura N° 3.03: Influencia de la curvatura ................................................... 14 Figura N° 4.01: Sección transversal del cauce ............................................. 34 Figura N° 4.02: Muros de encauzamiento que se prolongan hasta el cauce principal y no existe flujo en la zona de inundación ................................................... 37 Figura N° 4.03: Intersección del flujo por los muros. Método de Artamonov ............................................................................................ 38 Figura N° 5.01: Pendientes: línea de energía, línea piezométrica, y fondo del cauce .................................................................................................. 46 Figura N° 5.02: Sección rectangular del cauce natural. ................................ .47 Figura N° 5.03: Sección trapezoidal del cauce natural. .................................. 48 Figura N° 5.04: Sección de río encauzado .................................................. 49 Figura N° 6.01: Sección trapezoidal del canal de derivación ........................... 51 Figura N° 6.02: Sección rectangular del canal de derivación .......................... 53 Figura N° 6.03: Pendientes: línea de energía, línea piezométrica, y fondo del cauce .................................................................................................. 54 Figura N° 6.04: Tirante vertical y normal. ................................................... 54 Figura N° 7.01: Vista en planta ventana- canal de derivación ........................ 63 Figura No 7.02: Rejillas en ventana de captación ......................................... 64 Figura N° 7.03: Ventana de captación ....................................................... 66 Figura N° 7.04: Definición de la altura del barraje ........................................ 67 Figura N° 7.05: Distribución de longitudes en el ancho de encauzamiento ........ 68 Figura No 7.06: Carga de agua sobre el barraje ........................................... 69 Figura No 7.07: Vista de perfil sección ventana de captación- canal de derivación ............................................................................................. 70 Figura N° 7.08: Longitudes en compuerta de admisión ................................. 71 Figura N° 7.09: Dimensiones características del desripiador. ......................... 74 xiv Figura No 7.10: Dimensiones características de la transición .......................... 77 Figura No 7.11: Detalle del vertedor de excedencia ...................................... 78 Figura No 7.12: Ubicación de la compuerta de desripiador ............................. 79 Figura No 7.13: Perfil del flujo a través de compuerta de limpia ....................... 80 Figura No 7.14: Vista en planta de compuerta de limpia en desripiador. ........... 82 Figura No 7.15: Principales cotas ventana- Canal de derivación .................... 84 Figura No 8.01: Vista en planta canal de limpia ............................................ 85 Figura No 8.02: Distribución de compuertas en canal de limpia ....................... 86 Figura No 8.03: Perfil canal de limpia ......................................................... 89 Figura No 9.01: Vertido libre sobre un Barraje ............................................. 93 Grafico No 9.01: Coeficiente de descarga en cimacios de paramento aguas arriba vertical, vertiendo con la carga de diseño ................................................... 95 Grafico No 9.02: Coeficiente de descarga en cimacios de paramento aguas arriba vertical, vertiendo con cargas diferentes a la de diseño ................................. 96 Figura No 9.02: Coeficiente de contracción en estribos, según U.S. Bureau of Reclamation ........................................................................................ ; . 98 Figura N° 9.03: Coeficiente de contracción por pilas de formas diferentes, con el tajamar coincidiendo con el plano vertical del paramento aguas arriba de un cimacio de perfil WES y velocidad de llegada despreciable ....................................... 98 Figura No 9.04: Vertedor de pared delgada ................................................ 99 Figura N° 9.05: Eje de coordenadas ................................................. : ....... 100 Figura No 9.06: Ubicación de punto de tangencia en cimacio ......................... 101 Figura N° 9.07: Elementos de los perfiles de cimacio con la forma de la lámina vertiente ............................................................................................... 1 02 Figura No 9.08: Valor de k para el diseño del perfil de un cimacio ................... 103 Figura No 9.09: Valor de n para el diseño del perfil de un cimacio ................... 103 Figura N° 9.10: Valor de xcfH0 para el diseño del perfil de un cimacio ............. 103 Figura No 9.11: Valor de Y el H0 para el diseño del perfil de un cimacio .............. 1 04 Figura No 9.12: Valor de R 1 , R 2 para el diseño del perfil de un cimacio .............. 104 Ho Ho Figura No 9.13: Perfil de un cimacio tipo WES con velocidad de llegada despreciable y paramento aguas arriba vertical P fH0 ;;::: 1. ............................................... 105 Figura No 9.14: Altura de curva de descarga igual a la profundidad de la poza de disipación de energía .............................................................................. 108 XV Figura No 9.15: Curva de descarga en función del talud del canal de pendiente constante ............................................................................................. 1 08 Figura N° 9.16: Perfil de cimacio aguas arriba de la cresa ............................. 109 Figura No 9.17: Perfil completo de un cimacio con las ecuaciones que lo gobiernan ............................................................................................. 112 Figura No 10.01: F1 = 1, No se forma resalto ............................................... 115 Figura No 10.02: F1 = 1 a 1.7, Resalto ondulante .......................................... 115 Figura No 10.03: F1 = 1.7 a 2.5, Resalto débil .............................................. 115 Figura N° 10.04: F1 = 2.5 a 4.5, Resalto oscilante ......................................... 116 Figura N° 10.05: F1 = 4.5 a 9, Resalto estable ............................................. 116 Figura No 10.06: F1 = 4.5 a 9, Resalto fuerte ............................................... 117 Figura No 10.07: Resalto hidráulico ........................................................... 118 Figura N° 10.08: Longitud de Resalto en términos de profundidad secuente y2 en canales horizontales según la USBR ......................................................... 122 Figura N° 10.09: Disipador por Resalto Hidráulico (Caso 1). "Resalto Hidráulico Normal" ................................................................................................ 123 Figura No 10.10: Disipador por Resalto Hidráulico (Caso 2). "Resalto Hidráulico Desplazado" .......................................................................................... 124 Figura No 10.11: Disipador por Resalto Hidráulico (Caso 3). "Resalto Hidráulico Sumergido" ........................................................................................... 125 Figura N° 10.12: Disipador de energía tipo tanque amortiguador ..................... 126 Figura N° 10.13: Cuenco disipador tipo 1 .................................................... 127 Figura No 10.14: Dimensiones del cuenco tipo IV USBR ............................... 128 Figura No 10.15: Longitud del resalto hidráulico para cuenco tipo IV ................ 129 Figura No 10.16: Dimensiones del cuenco tipo 111 USBR ................................ 130 Figura No 10.17: Altura de los bloques de impacto y del umbral ...................... 130 Figura No 10.18: Longitud del resalto USBR tipo 111 ...................................... 130 Figura No 10.19: Longitud del resalto USBR tipo 11 ....................................... 131 Figura No 10.20: Dimensiones del cuenco tipo 11 USBR ................................. 131 Figura No 11.01: Filtración en presa derivad ora ........................................... 133 Figura No 11.02: Longitud de dentellones ................................................... 134 Figura No 11.03: Socavación al pie del disipador de energía .......................... 142 Figura N° 11.04: Longitud de la escollera ................................................... 143 Figura No 12.01: Muro de encauzamiento ................................................... 146 xvi Figura N° 12.02: Curvas de energía específica ............................................ 147 Figura No 12.03: Remanso producido por el barraje en el río .......................... 151 Figura No 12.04: Tramo de canal. ............................................................. 151 Figura No 12.05: Área bajo la curva .......................................................... 153 Figura No 12.06: Sección 1-2 de un tramo de canal. ..................................... 154 Figura N° 12.07: Sección 1-2 de un tramo de canal. ..................................... 154 Figura N° 12.08: Identificación de tramo a calcular. ...................................... 156 Figura N,o 12.09: Identificación de tramo a calcular ....................................... 158 Figura No 13.01: Tipo de muros ............................................................... 174 Figura No 13.02: Empuje del suelo sobre muros de sostenimiento .................. 175 Figura N° 13.03: Empuje del agua sobre muro de encauzamiento ................... 177 Figura No 13.04: Empuje debido a una sobrecarga uniforme sobre relleno ........ 177 Figura N° 13.05: Empuje debido a la supresión ........................................... 178 Figura No 13.06: Volteo de muro debido a cargas actuantes sobre él. .............. 181 Figura N° 13.07: Ubicación de la fuerza resultante ....................................... 183 Figura No 13.08: Resultante dentro del tercio medio ..................................... 184 Figura No 13.09: Resultante en el borde del tercio medio .............................. 184 Figura No 13.1 O: Resultante por fuera del tercio medio ................................. 184 Figura No 13.11: Criterio para dimensionamiento preliminar de muros de gravedad .............................................................................................. 187 Figura No 13.12: Criterio para dimensionamiento preliminar de muros en voladizo ............................................................................................... 188 Figura No 13.13: Criterios para el diseño del muro en voladizo ....................... 189 Figura N° 13.14: Criterio para el detallado del refuerzo en muros en voladizo ............................................................................................... 190 Figura N° 14.01: Peso del barraje ............................................................. 196 Figura N° 14.02: Presión hidrostática sobre barraje ...................................... 197 Figura N° 14.03: Presión hidrostática sobre barraje ...................................... 197 Figura No 14.04: Empuje de sedimentos sobre barraje ................................. 198 Figura No 14.05: Empuje pasivo del suelo .................................................. 199 Figura No 14.06: Peso de agua sobre barraje ............................................. 200 Figura N° 14.07: Reacción del terreno ....................................................... 201 Grafico No 15.01: Metodología de trabajo ................................................... 205 xvii ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla N° 4.01: Valores de factor de fondo Fb ... ........................................... 22 Tabla N° 4.02: Valores de factor de Orilla Fa ............................................... 23 Tabla N° 4.03: Valores de la velocidad Vcp en función del diámetro medio de las partículas cuando el tirante es de 1m ......................................................... 25 · Tabla N° 4.04: Valores de A y m para cauces estables .................................. 26 Tabla N° 4.05: Formulas para el cálculo de causes estables formados en terrenos de arena gruesa a guijarros (partículas con diámetro mayor de 1mm) ................... 27 Tabla N° 4.06: Formulas de diseño para causes estables en grava o boleo ....... 28 Tabla N° 4.07: Formulas de diseño para causes estables en grava o boleo ....... 28 Tabla N° 4.08: Formulas de diseño para causes estables en grava o boleo ....... 29 Tabla N° 4.09: K1 para trabajar con la fórmula de Simons y Henderson ............ 30 Tabla N° 4.10: Factor de corrección por contracción del cauce J.l ... .................. 35 Tabla N° 4.11: Coeficiente de corrección Ke ............................................. ... 39 Tabla N° 4.12: Coeficiente de corrección KQ··· ............................................. 39 Tabla N° 4.13: Coeficiente de corrección Km··· ............................................ 39 Tabla N° 4.14: Coeficiente por la forma del muro K1 ... .................................. 40 Tabla N° 5.01: Taludes recomendados para las márgenes de un río según el material del terreno ................................................................................. 42 Tabla N° 5.02: Valores de "n" dados por Horton para ser usados en las fórmulas de Ganguillet- Kutter y de Manning .............................................................. .43 Tabla N° 5.03: Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad según la ecuación de Cowan ................................................................................ 45 Tabla N° 6.01: Valores de m para emplearse en la fórmula de Bazin ................ 56 Tabla N° 6.02: Valores de n dados por Horton para ser usadas en las fórmulas de Ganguillet- Kutter y Manning .................................................................. 58 Tabla N° 6.03: Ancho de solera en función del caudal. .................................. 61 Tabla N° 6.04: Borde libre en función del caudal. ......................................... 61 Tabla N° 6.05: Borde libre en función de la solera ........................................ 62 Tabla No 7.01: Valores de coeficiente de descarga en función de la forma del vertedor ............................................................................................... 65 xviii Tabla No 7.02: Valores de "e", en función de la carga de agua y altura de compuerta ............................................................................................ 81 Tabla N° 11.01: Coeficiente de Bligh ......................................................... 137 Tabla No 11.02: Coeficiente de Lane ......................................................... 138 Tabla N° 11.03: Coeficiente de Kamov ...................................................... 139 Tabla N° 12.02: Cálculo de la curva de remanso método de Bakhmeteff ........... 158 Tabla N° 12.04: Tabulación para el método de tramos fijos ............................ 160 Tabla N° 12.01 de las funciones de flujo variado .......................................... 163 Tabla No 12.03 funciones de Bresse para curvas de remanso ........................ 172 Tabla No 13.01: Peso específico y ángulo de fricción interna para algunos tipos de suelo ................................................................................................... 176 Tabla No 13.02: Valores de Coeficiente de fricción concreto- suelo ................ 179 Tabla No 13.03: Relación Bf(H + h5 ), para diferentes tipos de relleno .............. 186 Tabla N° 13.04: Varillas corrugadas y sus características .............................. 194 xix 1.0 INTRODUCCIÓN CAPITULO 1 INTRODUCCION 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, el diseño, la construcción, la operaCión y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer la máxima de seguridad. El diseño de una obra de toma puede ser un problema muy difícil de resolver, en el que debe preverse la interacción estructura-naturaleza. La obra de toma, es un elemento extraño en contacto con el agua. Es decir, que la estructura va a producir inevitablemente alteraciones en el medio natural circundante y a la vez, la naturaleza va a reaccionar contra la obra. Para el diseño de bocatomas es necesario contar con una gran cantidad de datos como son: geológicos, geotécnicos, topográficos, hidráulica fluvial, hidrológicos, transporte de sedimentos, económicos, etc. Las cuales son obtenidas de una serie de estudios, y recojo de información en la zona de estudio. Una vez obtenida toda la información, se procede con el procesamiento de la información, para finalmente obtener el diseño de una bocatoma segura, eficiente y que cumpla con todos los requerimientos hidráulicos y estructurales, para el óptimo funcionamiento a lo largo de su vida útil. Este procesamiento puede realizare de forma manual, la cual es laborioso, poco preciso, y está sujeto a errores humanos. Por esta razón se ha elaborado 1 el software DHEBB V2.0.0 para el diseño de bocatomas en forma rápida, precisa y eficiente. En la actualidad la existencia de programas de ingeniería ha facilitado el desarrollo de procesos eficientes con los mínimos recursos. Su aplicación radica desde la fase inicial de ingreso de datos hasta su estado final con resultados precisos. La estrecha relación entre estos programas y los ingenieros o estudiantes de Ingeniería, resulta ser de gran utilidad, ya que permite relacionar los conocimientos académicos adquiridos con los problemas comunes presentes en la práctica. Sin embargo, la aplicación de este tipo de programas debe tratarse con sumo cuidado ya que se debe evitar considerar como "cajas negras", es decir; que se obtengan resultados sin conocer qué tipo de operaciones o metodologías se emplearon para obtener dichos resultados. 1.1) ANTECEDENTES A inicios del 201 O el autor de la presente tesis ha desarrollado el software denominado "Diseño de Bocatomas" V1.0.0 con fines académicos, y de uso personal. Este software con muchas deficiencias ha quedado en el olvido debido a ciertas falencias que presentaba, en cuanto a la confiabilidad de los cálculos que realizaba, las pocas herramientas con que contaba, los algoritmos demasiados largos para solucionar problemas fáciles, la cual repercute en la codificación del software. Por las razones antes mencionadas no se ha presentado el borrador de tesis con el mencionado software. Después de haber realizado una mayor revisión de literatura en el diseño de bocatomas, en cuanto al lenguaje de programación Visual Basic, se ha desarrollado nuevos métodos de cálculo, y con ello nuevos algoritmos y codificación de todo el software, obteniendo como resultado final el software "Diseño hidráulico y estructural de bocatomas tipo barraje" con su acrónimo DHEBB V2.0.0 tema del actual trabajo de tesis. 2 1.2) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Cuando estudiantes, profesionales y personas inmersas en obras de captación tienen la necesidad de realizar el diseño de una bocatoma segura, eficiente, y que cumpla con las todos los requerimientos hidráulicos y estructurales, recurren al uso de hojas de cálculo incompletos y con múltiples errores, y que la forma de cálculo lineal y tradicional da poca confianza a los diseñadores. Obteniendo un resultado final inconsistente, la cual llevará a la ejecución de la obra con serias deficiencias en el funcionamiento, pudiendo fallar sin antes haber cumplido con la vida útil de la estructura. O en todo caso, captando una cantidad de agua mucho menor a lo que realmente se necesita. O como en muchos lugares, las estructuras están fallando debido a que no se ha considerado algunos parámetros importantes en el dimensionamiento de la estructura de captación. 1.3) JUSTIFICACIÓN Contar con un programa de diseño hidráulico y estructural de bocatomas tipo barraje, permitirá al profesional proyectista evaluar y comparar las diferentes alternativas de diseño con mayor rapidez y precisión, de tal manera que se pueda verter más de una propuesta de diseño adoptándose la más económica y sobre todo la más segura. Por esta razón, implementar este importante recurso didáctico e interactivo, es incorporar una nueva tecnología, precisa y eficaz, que sirve en la toma de decisiones acertadas, la cual repercute en el adecuado funcionamiento de la estructura durante el periodo de vida del proyecto. 1.4) OBJETIVOS Para la realización de la presente tesis se ha definido los siguientes objetivos: 1.4.1) Objetivo general Implementación de un software para diseño hidráulico y estructural de bocatomas tipo barraje, con el Visual Basic 201 O. 3 1.4.2) Objetivos específicos 1. Recopilar y analizar información concerniente al diseño de bocatomas tipo barraje. 2. Definir el modelo matemático para realizar el diseño hidráulico y estructural de bocatomas tipo barraje. 3. Elaborar el software Diseño Hidráulico y Estructural de Bocatomas tipo Barraje (DHEBB V2.0.0). 4. Realizar la prueba de funcionamiento e instalación del software DHEBB V2.0.0. 5. Implementar un manual de usuario para el fácil entendimiento del software. 4 CAPITULO 11 REVISIÓN DE LITERATURA 2.0 GENERALIDADES SOBRE LAS ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN 2.1) DEFINICIÓN Según M. Arias (1992), definimos bocatoma al conjunto de obras hidráulicas construidas en una fuente de agua, ya sea rio, canal o laguna, con la finalidad de captar y derivar dicha fuente un determinado volumen de agua para utilizarlo con fines energéticos, de irrigación, de abastecimiento publico u otros, constituye generalmente la obra básica para un aprovechamiento hídrico. Una estructura de captación, es una estructura hidráulica, que se utiliza para hacer ingresar el agua de una fuente de aprovechamiento que puede ser un rio o una laguna a un canal de derivación. 2.2) PARTES QUE CONFORMA UNA ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN Según C. Rosell (1993), existen varios factores que definen el tipo de bocatoma, entre los cuales podemos citar: el régimen del río, el transporte de sólidos, el caudal de la captación, las características del lecho del río, se sección transversal. Los elementos principales de las bocatomas son los siguientes: a) Muros o diques de encauzamiento: Su objetivo es encauzar el río y proteger los terrenos ribereños aguas arriba de la toma y evitar desbordamientos como consecuencia de la instalación del barraje. Los muros pueden ser de concreto armado, presa de gravedad, y de tierra. 5 b) Ventana de captación: Es la estructura que está ubicada en una de las márgenes del río, hacia aguas arriba de la presa derivadora y tiene por finalidad captar las aguas; consta de un vertedero u orificio de captación de rejillas y de compuertas de regulación. e) Canal de limpia: Esta estructura tiene la finalidad de eliminar los sólidos que se depositen delante de las ventanas de captación. d) Barra_je o azud: Cortina, presa derivadora o barraje es una represa construida transversalmente al río con objeto de levantar el tirante y facilitar el ingreso de agua. e) Aliviadero de demasías: Para evacuar las excedencias en la captación. Figura No 2.01: Partes de una obra de captación E.!JiQUETA OSOUDO '--Pll.ARDE SEPARAC!Oli D!S!FADORDE Eli!II.Glt. f) Disipadores de energía: Utilizado para cambios de régimen hidráulico al pie del vertedero Creager. 6 g) Escollera: Ubicada aguas abajo del disipador de energía, la finalidad de la escollera es la protección del solado contra la socavación debida al cambio del régimen del agua. h) Desripiador: Lugar donde quedan retenidas los sólidos que lograron pasar por las ventanas de captación, también es una zona de transición entre las ventanas de captación y las compuertas de admisión. i) Compuerta de admisión: Controla el flujo de ingreso hacia el canal de derivación. j) Canal de transición: Utilizada cuando las secciones entre las compuertas de admisión, y el canal de derivación tienen diferentes secciones, con la finalidad de evitar grandes pérdidas de carga. k) Trampas para material de fondo y rejillas para material flotante. /) Medidores o aforadores. 2.3) PRINCIPALES TIPOS DE BOCATOMAS Existe una diversidad de bocatomas, pero estas se agrupan teniendo en cuenta el régimen hidráulico del río y los elementos que forma parte de ella. Según Linares (1979) las bocatomas pueden clasificarse de la siguiente forma: ./ Bocatoma de régimen subcrítico . ./ bocatoma de régimen supercritico . ./ bocatoma sin barraje . ./ bocatoma con barraje. o barraje fijo. o barraje móvil. o barraje mixto. Según A. Mansen, las bocatomas se pueden clasificar en cuatro tipos: a) Toma directa: Se trata de una bocatoma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del río, que permite el discurrimiento de un canal mayor que el que se va captar, su mayor ventaja es la no necesidad de construir barraje o azud que por lo general constituye una de las partes de mayor costo, sin embargo tiene 7 como desventaja, la facilidad de ser obstruida en época de crecida y además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación. b) Toma mixta o convencional: Se trata de una toma que permite la captación mediante el cierre con una estructura llamada azud o vertedero de derivación, el cual puede ser fija o móvil. Dependiendo del tipo de material usado, será fija cuando utiliza un elemento rígido, por lo general es de concreto y móvil cuando se utiliza compuertas de acero o madera y la captación se realiza por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero, dependiendo del tirante en el rio. e) Toma móvil: Consiste en aquella toma que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de estiaje y de avenida, necesita disponer de un vertedero relativamente bajo, pero para dar la carga necesaria requiere de compuertas que permitan elevar el nivel de agua necesaria para poder captar el volumen deseado. A los vertederos con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellas se les conoce como barraje. Su principal ventaja es que permite el paso de materiales de arrastre por encima de la cresta del vertedero. d) Toma tirolesa o caucasiana: Es una toma, cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del vertedero azud, dejando un espacio en él protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas. La construcción de este tipo de bocatomas es solo recomendable donde las condiciones la favorezcan. En resumen el tipo de bocatomas recomendable para una captación de un determinado caudal, depende de la altura del vertedero, de las condiciones de la cimentación, del' flujo en el río, del remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los materiales de construcción y del monto de dinero asignado para la ejecución de la obra. 8 2.4) CONDICIONES QUE DEBEN DE CUMPLIR LAS OBRAS DE CAPTACIÓN Según J. Almora (2009), toda obra de captación debe cumplir las siguientes condiciones: ./ Con cualquier tirante del río deben de captar una cantidad de agua prácticamente constante . ./ Debe impedirse hasta donde sea posible la entrada a la conducción de todo material sólido y flotante, y hacer que estos materiales (desechos) pasen por el mismo cauce del río . ./ Proveer un sistema para dejar pasar las avenidas, que tienen gran cantidad de sólidos y material flotante . ./ Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista constructivo . ./ Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentaciones . ./ Satisfacer todas las condiciones de seguridad necesarias. 2.5) CONDICIONES QUE DEBEN DE CUMPLIR LOS RÍOS ./ Según S. Krochin (201 0), para asegurar el servicio ininterrumpido, el caudal debe ser bastante mayor que el caudal de diseño para el canal. Al mismo tiempo se debe tener la seguridad que la profundidad del río en el sitio de la toma no disminuya nunca de un cierto valor mínimo. Estas condiciones se encuentran generalmente sólo en ríos de llanura . ./ El río debe tener el cauce estable y las orillas firmes a fin de que no se produzcan derrumbes, azolves o erosiones que puedan inutilizar las obras de toma. 9 3.0 INFORMACION REQUERIDA PARA SU DISEÑO Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos, para la zona de emplazamiento de la bocatoma: 3.1) UBICACIÓN Según A. Mansen (1988), es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del río, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones: a.- La dirección o ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida. b.- La captación del agua debe ser siempre posible aun en época de estiaje. c.- La entrada de sedimentos hacia el canal de derivación debe ser limitada en lo máximo posible. d.- Ubicar en zonas rocosas, con la finalidad de asegurar la estabilidad de la estructura. e.- Ubicar en las partes más angostas de los ríos, la cual permita construir una presa derivadora corta y económica. Un punto recomendable que cumple los requerimientos anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río. Lógicamente este punto estará condicionado a cumplir las condiciones topográficas (cota de captación) condiciones geológicas y geotécnicas, condiciones sobre facilidades constructivas (disponibilidades de materiales), evitar posibles inundaciones o daños a construcciones vecinas, etc. 3.1.1) Angulo de derivación Según A. Rocha (1992), el valor del ángulo de derivación determina, en primer lugar que para un mismo ancho del canal lateral se presenta una 10 mayor o menor abertura de entrada, con el consiguiente efecto sobre la captación de sólidos. El ángulo de derivación determina también la curvatura de las líneas de corriente y la trayectoria de las partículas que se dirigen al canal de derivación. Un ángulo grande determina una fuerte curvatura. En la figura N° 3.01 se muestra la zona de estancamiento para ángulos de 30°, 90° y 120°. Con el objeto de apreciar la influencia del ángulo de derivación sobre la cantidad de sólidos captados se ha preparado la figura N° 3.02 en la que se presenta los resultados de varias investigaciones. Figura N° 3.01: Zona de estancamiento y depósito. : q- E-----------7-7- QT- j l ¡ /)J/ :tt 1 11 f.r- • 1 Figura N° 3.02: Variación de QFl con el ángulo e para una relación de Qp 1·0 1 QF1 ! QF l o·B o·7 toma constante ~ = O. 5 • ---- [UJ\1/Ñt---~-- "" \ ""-\ "\"' /IIIJL.U \ \ " \ " ~· \ \< /,... / !'"-.__ / v/ -... ~------ / /\ / '{" K51111R6 / v/\_ / -n./0/ll \ ¡,.,/ \ / \ / \ / // i'--L>AiiiCY 10 20 Thoma, realizó mediciones solo para ángulos de 30° y 90°. Este último tenía una esquina redondeada, sin embargo no se ha considerado en el grafico dado que efecto del redondeo de la esquina es en realidad pequeño. Las mediciones de Vicksburg se basa en un modelo del río Missisippi; por lo tanto las condiciones son diferentes a la bifurcación esquematizada que estamos estudiando. Sin embargo se considera útil mostrar estos resultados, en el grafico mencionado. Las experiencias de Benini y Bulle corresponden al caso genérico en estudio. Dancy Utilizó únicamente un ángulo de 30°, pero diversos diámetros para el material sólido. 12 Luego de analizar las diversas investigaciones efectuadas y diseños de diferentes países, se puede concluir que no existe ángulo óptimo de derivación o en todo caso la influencia del ángulo de derivación es pequeña, no bien conocida y no susceptible de generalización. 3.1.2) Influencia de la curvatura Según A. Rocha (1992), con el objeto de mostrar la influencia de la ubicación del canal lateral con respecto a la curvatura del canal principal, se muestra el resultado de la investigación de Habermaas referente a los porcentajes captados de material solido de fondo para cada disposición. La figura N° 3.03 muestra los ensayos referentes a la captación de sedimentos en función de la proporción de toma (01/0), en todos los casos (01/0) es igual a 0.5. En el ensayo "a", la bifurcación está en un tramo recto e ingresa en 95% de los sólidos de fondo. En el ensayo "b" la bifurcación está ubicada en la margen interior de un tramo curvo, comprobándose que prácticamente la totalidad del gasto solido de fondo ingresa al canal lateral. En los ensayos "e", "d" y "e" la bifurcación se halla en el margen exterior de un tramo curvo. Se obtiene mejores resultados a medida que la captación se aproxima a la iniciación de la curva. Los resultados favorables se deben a la presencia de una corriente helicoidal. Se observa que los resultados favorables de la experiencia "e" se deben a que como consecuencia de la ubicación del canal lateral, éste aparece; como una continuación del cauce principal, mientras que la parte del canal principal ubicado aguas abajo de la bifurcación aparece como el canal derivado. 13 Figura N° 3.03: Influencia de la curvatura. ,J'~ Qn=95%Qr / b) Qt.7=95%-100% Qr e) / d) Qn=SO% Qr 14 e) 3.2) ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS Según A. Mansen (1988), definida la posible ubicación, se realizan los siguientes trabajos topográficos: a) Levantamiento topográfico a curvas de nivel del cauce del río, en una longitud de 500m a 1 OOOm. tanto aguas abajo como aguas arriba 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, a escala 1/500 y 1 metro de equidistancia de las curvas de nivel. e) Perfil longitudinal del río, por lo menos un kilómetro 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 cada 20m. en un tramo comprendido 1000m aguas arriba y 500m aguas abajo del eje del barraje; la escala varía entre 1:1 00 y 1 :200. 3.3) ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS Es importante conocer las condiciones geomoriológicas, geológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar con 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 conformante del lecho del río. b) Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma. 15 e) Coeficiente de permeabilidad del suelo de cimentación. d) Capacidad portante del suelo seco y saturado. e) Resultados sobre ensayos de hinchado de pilotes o tablaestacas. f) Los coeficientes de diseño sísmico. g) Los coeficientes de fricción estática del material de cimentación. 3.4) ESTUDIOS HIDROLÓGICOS 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 tenemos: a) Caudales de máximas avenidas, que permitan fijar los niveles máximos de los muros de encauzamiento, de los barrajes y de los mecanismos de izaje de las compuertas, cuyo tiempo de retorno es de 25 años (Tr = 25 años). b) Caudales mínimos que permitan fijar los niveles de los umbrales de toma. e) Caudales medios con el objeto de conocer las masas de agua posibles de ser derivadas. Debido a la poca duración de las avenidas, el daño que una crecida extraordinaria podría causar en esta clase de obra, es relativamente pequeño. Como el costo de construcción de una toma segura contra crecientes de cualquier magnitud es elevado, se considera suficiente basarse en el diseño de una crecida de cada 25 años. Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona de influencia de la bocatoma, se han ejecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo que, se da por descontado la existencia de un estudio hidrológico sumamente detallado y que para nuestro caso, solo se usaran los datos anteriormente recomendados. 16 1~~ w..~CI5 e:;::;:::, o c..az ~ o =: ;;) ca iii 3.5) ESTUDIO DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Los sólidos son perjudiciales en las estructuras de un proyecto hidráulico dado, producen erosión en los revestimientos de los canales o en otros casos reducción de la sección útil. Para evitar estos perjuicios es necesario efectuar estudios de transporte de sedimentos aguas arriba de la toma. El estudio de sedimentos debe efectuarse tanto de materiales de fondo como en los de suspensión. Igualmente se deben realizar análisis mineralógicos y químicos de las partículas para conocer sus propiedades abrasivas. 3.6) ESTUDIO ECONÓMICO Constituye en muchas oportunidades el factor determinante para fijar la ubicación de la toma, ya que el costo de ella no está en función del volumen captado, sino de las condiciones que presenta el cauce en dicha zona. De allí que se deberá buscar la zona que represente el menor costo posible, ya sea en el tratamiento de terreno, volumen de la obra, proceso constructivo y funcionamiento de la estructura. La rentabilidad de un proyecto dependerá fundamentalmente del costo de cada una de las estructuras que la conforman, el costo de la toma finalmente tiene un límite para asegurar un beneficio- costo favorable. 3.7) 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 presupuestales, como por ejemplo la escalera de peces. 17 3.8) OTROS REQUERIMIENTOS En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tomar para la construcción de la bocatoma, estas son de orden legal, ya que mediante la construcción de la bocatoma por efecto del remanso podrían ser inundados terrenos aledaños o construcciones anteriores (puentes, caminos), etc. Asimismo en algunos casos será necesario pedir autorización del instituto nacional de cultura por la existencia de restos arqueológicos. Por este motivo, todo diseño deberá ser previamente coordinado con todas las dependencias estatales y particulares que estén relacionados con el proyecto con la finalidad de evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la construcción de una estructura en el mismo cauce. Estudio de canteras de materiales que permitan construir las estructuras de concreto y otras. 18 4.0 HIDRAULICA FLUVIAL APLICADO AL DISEÑO DE BOCATOMAS El conocimiento de la variación de las características hidráulicas y geométricas del cauce de un río para diferentes caudales es importante en el diseño de una estructura de captación (Bocatomas). Por lo cual los principales conceptos con sus respectivos cálculos se indican a continuación. 4.1) TIPOS DE ESTABILIDAD Es la relación con la predicción de la variación de las características geométricas y pendiente de un río cuando se modifica alguna de las condiciones naturales de la cuenca y del río. Por ejemplo, al alterar el hidrograma de escurrimiento y el transporte de sedimento mediante la construcción de un embalse o aumentar el volumen de sedimentos en el cauce debido a la deforestación en partes de la cuenca, etc. Si se construye un embalse, el tramo agua abajo adyacente tiende a no arrastrar material; ese efecto es la causa principal que provoca el cambio de sección y pendiente. En los siguientes tramos aguas abajo, las modificaciones son ocasionadas por el cambio que sufre el escurrimiento, el que ahora estará formado por las descargas de la obra de toma y del vertedero. Se puede hablar de diferentes grados de estabilidad: 4.1.1) Estabilidad estática Se presenta cuando la corriente de los márgenes y el fondo, permanece constante por lo que la sección no varía, y en planta el rio no sufre ningún corrimiento lateral. Este grado de estabilidad lo tienen los canales sin arrastre de sedimentos o algunos ríos durante la época de estiaje. 4.1.2) Estabilidad dinámica Corresponde a los ríos o canales que tienen un solo cauce y todo el gasto pasa por él; además existe arrastre de sedimentos y aunque sus secciones transversales llegan a variar, ellas son aproximadamente similares año con año al ser observados en la misma época. 4.1.3) Estabilidad morfológica Cubre el concepto más amplio, esto es que en cualquier cauce natural, la pendiente, el ancho, tirante y números de brazos por los que escurre el 19 gasto, dependen del propio gasto y de su distribución anual, de las características del sedimento y de la calidad y cantidad del transporte de sedimentos que procede de aguas arriba o que es aportado lateralmente. 4.2) GRADOS DE LIBERTAD Otro concepto de interés y que permite mejor comprensión de los métodos que serán descritos es el grado de libertad de una corriente. 4.2.1) Escurrimiento con un grado de libertad Se dice cuando se tiene un canal revestido o sin arrastre, con ancho y pendiente dadas, y se hace pasar un gasto determinado. Este escurrimiento tiene un grado de libertad y basta una ecuación para conocer el tirante, que es la única variable. 4.2.2) Escurrimiento con dos grados de libertad Si en un canal revestido, además de hacer pasar un gasto liquido se elimina constantemente un cierto gasto sólido, se ajustaran la pendiente del fondo y el tirante, hasta valores tales que el gasto liquido sea capaz de arrastrar ese material sólido, entonces se dice que el escurrimiento tiene dos grados de libertad, ya que se pueden ajustar el tirante y la pendiente, y se necesitarán dos ecuaciones para el cálculo de las dos variables. 4.2.3) Escurrimiento con tres grados de libertad Si se forma un canal en material aluvial, y si se alimenta un gasto líquido y un gasto sólido como en el caso anterior, se ajustaran la pendiente ancho y tirante de la sección hasta que el gasto liquido arrastre en forma uniforme y continúa el sedimento alimentando. En estas condiciones se dice que la corriente tiene tres grados de libertad, por lo que requerirán tres ecuaciones a fin de definir el estado de equilibrio. 4.3) GASTO FORMATIVO Cuando se estudia la estabilidad de un cauce, es indispensable fijar un gasto que represente el hidrograma anual. Este gasto asociado con la estabilidad de un cauce se denomina gasto formativo, existen al respecto varios criterios para determinarlo: 20 1er Criterio. El gasto formativo que recibe este nombre es aquel que de permanecer constante a lo largo del año, transportará la misma cantidad de material del fondo que el hidrograma anual, por tanto, para encontrar el valor del gasto dominante se calcula para cada día del año el transporte de fondo en función del gasto medio diario aforado; sumando todos los resultados se obtiene el transporte anual del fondo y se divide entre 365 días del año, logrando el transporte medio diario que tiene esa capacidad de transporte. El gasto líquido, en m3/seg, asociado a ese gasto diario, recibe el nombre de dominante. 2do Criterio. El gasto formativo es el que tiene un periodo de retorno de 1 ,4 años. Si hay una estación de aforos cercana, se puede obtener analizando los gastos máximos con los criterios de Nash y Gumbel. 3er Criterio. Algunos autores consideran como gasto formativo (en ríos de planicie), el gasto máximo que es capaz de Pasar por el cauce principal sin que desborde hacia a la planicie. En la mayoría de los problemas estudiados este criterio ha conducido a resultados más congruentes. 4.4) CAUCES ESTABLES Cuando una corriente escurre por un solo cauce se ha mencionado que existe un equilibrio entre el hidrograma de la corriente o gasto formativo, el gasto solido que entra al tramo en estudio, las características de los materiales del fondo y orillas, la pendiente media del tramo y las características de la sección transversal. Generalmente conocido el gasto formativo Q, el transporte de solidos que entra al tramo en estudio, BB o BBT , y un diámetro representativo, D, del material de fondo, se desea obtener la pendiente S, ancho 8 y tirante Y, que hagan estable el tramo en estudio. Para lograr lo anterior se utilizan diferentes métodos para analizar la estabilidad de cauces, entre los que pueden citar los propuestos por Simons y Henderson, Altunin, Blench, y Pettit. 21 4.4.1) Método de Bien eh La teoría de régimen se desarrolló inicialmente en la India para diseñar canales de riego. Una gran cantidad de investigadores han hecho aportaciones a esta teoría, entre ellos Blench, cuyo método se recomienda. Según Blench, las tres ecuaciones de diseño para obtener las características geométricas y la pendiente de un canal estable son: {Q:n; B = 1.81* ~~ Donde: Fb: Factor de fondo. Fa: Factor de orilla. .. .4.01 ... 4.02 ... 4.03 Ca: Concentración del sedimento arrastrado del fondo, en partes por millón en peso. K: coeficiente igual a: 6.03 * g K= 1j V 4 g: Aceleración de la gravedad. v: Viscosidad cinemática. ... 4.04 Los coeficientes de las ecuaciones anteriores obligan a utilizar el sistema métrico. Tabla N° 4.01: Valores de factor de fondo Fb Descripcion Fb Material fino 0·8 Material grueso 7·2 22 Tabla N° 4.02: Valores de factor de Orilla Fa Descripcion Fa /Yiaterial suelto 0·7 /Yiaterial ligeramente cohesivo 0·2 /Yiaterial cohesivo 0·3 El factor de fondo Fb, puede ser evaluado mediante las expresiones: ./ Si el río arrastra poco sedimento y el fondo es arenoso: ... 4.05 Donde: D: Diámetro medio de las partículas, en mm . ./ Si existe arrastre de sedimento y el fondo arenoso. Fb = 1.9 * D1iz * (1 + 0.012 *Ca) ... 4.06 El método de Blench conviene utilizarlo en el diseño de canales de riego y en tramos de ríos con material fino y con cierta cohesión. Debe tenerse cuidado cuando su aplicación se extrapola a cauces naturales o canales con material grueso. 4.4:2) Método de Altunin Para conocer la estabilidad de un cauce, de material granular, Altunin tomo en cuenta además de las variables ya indicadas, la mayor o menor resistencia de las orillas a la erosión, y la zona del río donde se encuentra el tramo de estudio. Con ello supuso que una sección es de tipo a, si las orillas son difícilmente erosionables y b si son fácilmente erosionables. Las tres ecuaciones que propone para obtener los tres grados de libertad son: La primera que permite conocer la velocidad media de la corriente que no produce erosión, tomando en cuenta el diámetro medio del material del fondo y el tirante. u= a* vct> *da ...4.07a 23 La segunda define la velocidad media de la corriente en función de la resistencia del fondo. . .. 4.07b La tercera resulto de la observación de secciones naturales estables y fue propuesta por Gluschkov. Bm =K* d ... 4.07c La ecuación anterior se puede transformar y se ha propuesto utilizarla también como. Donde: A* Qo.s B = so.z ... 4.07d a: Constante igual a 1 en la planicie y 1.2 en la zona intermedia. Vq,: Velocidad media máxima que soportan las partículas del fondo sin que se produzca erosión cuando el tirante es de 1m. Se obtiene con ayuda de la tabla N° 4.03 en función del diámetro medio de las partículas, en m/s. d: Tirante medio de la sección, igual al área entre el ancho de la superficie libre, en m. a: Exponente variable que depende del tirante y que puede tomar los valores. 1 a = 3 , si d < 1.50m ... 4.08a 1 a = ¡ , si 1.50 < d < 2.50m ... 4.08b 1 a = S , si d > 2.50m ... 4.08c 24 Tabla N° 4.03: Valores de la velocidad V cP en función del diámetro medio de las partículas cuando el tirante es de 1m. Diametro Velocidad Di a metro Velocidad (mm) (m/seg) (mm) (m/seg) 7·0 0·60 50 7·50 r------- r------- r-------1------- 2·5 0·75 52 7·54 f------ f------ f------ 1------ 5·0 0·80 54 7·56 ------ ------ ------ ------ 70·0 0·83 56 7·59 r------- r-------1-------1------- 75·0 0·86 58 7·62 1------ 1------ 1----·-- 1------ 20·0 0·90 60 7·65 ------ ------ ------ ------ 25·0 0·98 65 7·69 30·0 7·04 70 7·73 f------ f------ ------ 1------ 32·0 7·77 75 7·76 ------ ------ ------ ------ 34·0 7·77 80 7·80 ------------ ------ ------ 36·0 7·24 85 7·84 ------ 1------ ------ 1------ 38·0 7·29 90 7·88 ------ ------ ------ ------ 40·0 7·35 95 7·97 ------ ------ ------ ------ 42·0 7·38 700 7·95 44·0 7·47 750 2·40 ------ ------ ------ ------ 46·0 7·44 200 2·60 k: Coeficiente de rugosidad que para cauces con gravas o diámetros mayores Altunin lo supone igual a 11. z: Exponente que para las condiciones indicadas se recomienda igual 1/2. x: Exponente que para las condiciones indicadas se recomienda igual a 1/3. B: Ancho se la superficie libre del agua, en metros. m: Exponente que es igual a 0.5 para ríos de montaña y 1.0 para cauces aluviales cerca de la desembocadura; se acepta O. 7 para cauces arenosos. Este exponente también se puede evaluar mediante la expresión: ( !l. * D )o.z m = O. 72 * RH * S ... 4.09 A: Coeficiente dado por la expresión s¡ 3 A = (n *K 3)3+Sm ... 4.10 Su valor se obtiene de la tabla N° 4.04 25 Tabla N° 4.04: Valores de A y m para cauces estables Numero de Porometro 11 Valor tlel exponente Zona del rio !1 eonduccion del cauce Froude 1"ipo tle seccion m, cuando k=10 Q b Q b Zona tlt! alto montaña· Couu rocoso cubierto tlt! 0·50 pit!tlros· 1·0 0·75 - 1·00 ----------- f---- -- f---- f---- f---- Zontz tJ.. montaña· Couct! formado con cantos rodados, 7·0-0·50 0-75 0·90 1·00 0·80 boleo guijarros· Ropitlos y p..ndientt! cercano o lo critico· Zona t!l los faldas tlt! kmontoño· 1.../t!gotlo d .. ! río ol f---- -- f---- f----1--- vol/e· Cauce formado por guijarros, gravas !1 arena· 0·50-0·20 0·90 7·00 0·80 0·75 Corrit!nte tranquilo· _ ______ 1--- f----f--- -- 1--- Zona intt!rmt!tlio· CauCt! formado por arena gruesa, m..dio y fino· Corrientt! tranquilo· 0·20-0·0 6.85 * Q0.10 * s0.307 7.40 * Qo.os3 * 5 o.312 8_45 * Qo.o49 * 5 o.317 Ao.2o A0.17S Ao.1o ------- 27 Tabla N° 4.06: Formulas de diseño para cauces estables en grava o boleo. Variabl~ por calcular a= 1/5 a= 1/4 a= 1/3 Primer problema Datos: Q, V, A S o.0o192 * A0 · 653 * vJ-26 0.00163 * A0 · 563 * VJ'21 0.00123 * A0 · 31 * VJ'35 QD.326 QD.268 Q0.268 B A* Qo.s A* Qo.s A* Qo.s so.z so.z so.z Q Q Q q - - - B B B S 4 3 d (~r (:J9 (~Y Tabla N° 4.07: Formulas de diseño para cauces estables en grava o boleo. Variable por calcular a= 1/5 a= 1/4 a= 1/3 Sequndo problema Datos: S, V,A 10j o.685 * vJ 0.565 * vJ d o.732 * v"' 3 (1000 s/ 013 (1000 S) 514 (1000 S) 2 q v4> * d 6 1s v4> * d 5 /4 v"' * d 4 h B Az * q Az * q Az * q --s 0.817 * Q0 · 1 (1000S) 0 · 307 0.855 * Q0 · 053 (10005) 0· 312 0.943 * Q0 · 049 (10005) 0 · 317 Ao.z AD.176 Ao.1a B A* Qo.s A* Qo.s A* Qo.s so.z so.z so.z Q Q Q '1 - - - B B B d (;.f' (;.f' (:.r 4.4.3) Método de Pettit Dentro de otros métodos americanos el de Pettit proporciona resultados comparables con otras fórmulas. Ancho superficial: B = 2.45 * Q0 · 5 ... 4.13 Profundidad: H = 0.715 * Q0 · 3 ... 4.14 Área hidráulica: A = 1.25 * Q0 · 8 ... 4.15 Radio hidráulico: R = 0.511 * Q0 · 3 ... 4.16. Velocidad media: 29 V= 0.8 * Q0 · 2 ... 4.17 Según este método la sección considerada por el emplazamiento de la estructura de captación, tendrá un cauce estable. 4.4.4) Otros métodos. Según Simons y Henderson, para el cálculo del ancho estable B metros, se utiliza la siguiente relación: ... 4.18 Rangos en que trabaja la metodología: S: Pendiente del cauce 0.06-10%. Dm: Diámetro medio de las partículas 0.03- 80mm. Q: Caudal máximo instantáneo 0.15 - 250m3/s. Tabla N° 4.09: Valores de K1 para trabajar con la fórmula de Simons y Henderson Condiciones de fondo de rio K1 Fondo y orillas de arena 5·7 Fondo de arena y orillas de material cohesivo 4·2 Fondo y orillas de material cohesivo 3·6 ~------------------- ---- Fondo y orillas de grava 2·9 ~------------------- ---- Fondo de arena y orillas de material no cohesivo 2·8 4.5) SOCAVACIÓN La socavación es la remoción de materiales del lecho y de las bancas de un cauce debido a la acción erosiva del flujo del agua alrededor de una estructura hidráulica. La decisión final sobre la cimentación de la estructura hidráulica, y/o sus medidas de protección, debe basarse no solo en los resultados que las ecuaciones arrojen, sino también, en el buen criterio, experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema por parte del ingeniero evaluador. 30 4.5.1) Calculo de la forma de socavación Algunos de los métodos para calcular profundidades de socavación requieren que se determine previamente la forma de socavación: en lecho móvil (vivo) o en agua clara. Para esto es necesario que se determine si el flujo en el cauce principal o en las laderas aguas arriba de la captación está transportando o no materiales para luego escoger la ecuación que resulte apropiada. Las profundidades de socavación en lecho móvil pueden estar limitadas si existe una apreciable cantidad de partículas grandes en el fondo del cauce, caso en el cual es aconsejable usar también ecuaciones de socavación en agua clara y escoger la profundidad que resulte menor de las dos o la que a criterio resulte la más representativa. Así mismo, ecuaciones de socavación en agua clara deben usarse si en poca cantidad de material que es transportado desde aguas arriba a la contracción o si el material es muy fino como para ser retenido en el hueco de socavación. Para determinar si el flujo aguas arriba está transportando materiales de lecho, se debe calcular la velocidad crítica para el inicio de transporte de sedimentos Vc de la partícula D50 y compararla con la velocidad media de la corriente en el cauce principal o en las laderas. Agua clara: V < Vc Lecho móvil: V > Vc La velocidad media se determina según la ecuación de Manning y para calcular la velocidad crítica es usual aplicar la siguiente ecuación recomendada en HEC-18. . .. 4.19 ... 4.20 Donde: Vc : Velocidad crítica por encima de la cual el material de lecho con tamaño D50 o más pequeño es transportado, en m/s. 31 h: Profundidad del flujo, en m. D50 : Diámetro del fondo del cauce, correspondiente al 50% de la curva granulométrica del material que pasa, expresado en peso. 4.5.2) Calculo de la socavación general por contracción La causa más común de socavación general es la contracción del flujo producida por la reducción de la sección del cauce por la construcción de obras hidráulicas. a) Método de Lischtvan - Levediev Este es un método que permite el cálculo de la socavación general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no una obra hidráulica. Si el método se aplica para la zona de la obra hidráulica, quiere decir que se está considerando también el efecto de la contracción, y por lo tanto, éste no debe considerarse. El método propuesto por Lischtvan - Levediev se fundamenta en el equilibrio que debe existir entre la velocidad media real de la corriente (V¡.) y la velocidad media erosiva (\'e). La velocidad erosiva no es la que da inicio al movimiento de las partículas en suelos sueltos, sino la velocidad mínima que mantiene un movimiento generalizado del material del fondo. Si el suelo es cohesivo, es la velocidad que es capaz de levantar y poner el sedimento en suspensión. La velocidad erosiva es ' función de las características del sedimento del fondo y de la profundidad del agua. La velocidad real está dada principalmente en función de las características del río: pendiente, rugosidad, y tirante del agua. - Velocidad media real: A z¡ 1¡ Qd =- * R 3 *S 2 n Qd: Caudal de diseño, m3/s. A: Área hidráulica, m2. R: Caudal de diseño, m. ... 4.21 S: Pendiente hidráulica, o, pendiente media del río, m/m. n: Coeficiente de rugosidad. 32 Qd s1iz a= 2 =- ... 4.22 A*R h n a: Coeficiente de sección dependiente de las características hidráulicas. Asumiendo que el perímetro mojado es igual al ancho libre de la superficie del agua, la cual es válida para cauces anchos. S 11z Qd Qd a = - ::::::: 5 = 5 ... 4.23 n Be* h h B * h h e m Considerando que el caudal permanece constante antes y después de ocurrida la socavación, se tiene: Qd = a* h 5 h *Be = Vr * H5 *Be a* h 5h Vr=--- Hs Vr: Velocidad real del flujo. - Velocidad erosiva: ... 4.24 ... 4.25 a) Para suelos granulares: La velocidad erosiva es la que levanta y mantiene el material en movimiento. Ve = 0.68 * {3 * D~28 * Hff Ve: Velocidad erosiva. {3: Coeficiente de frecuencia. ... 4.26 Dm: Diámetro medio de las partículas del material granular. z: Exponente variable en función del diámetro medio de la partícula. {3 = 0.7929 + 0.0973 * LogTr ... 4.27 {3: Coeficiente de correlación o de ajuste. Tr: Periodo de retorno. z = 0.394557- 0.04136 * LogDm- 0.0089 * Log 2 Dm ... 4.28 b) Para suelos cohesivos: La velocidad erosiva es la que es capaz de poner las partículas en suspensión. Ve = 0.60 * {3 * yJi18 * Hff ... 4.29 Ve: Peso específico de la muestra agua sedimento. x: Exponente variable que depende del peso volumétrico del material cohesivo seco. 33 X= 0.892619- 0.58073 * Ym + 0.136275 *y~ ... 4.30 - Determinación de la profundidad de socavación en suelos homogéneos: La profundidad de socavación en cualquier punto de la sección transversal se obtiene cuando la velocidad media del cauce iguala a la velocidad erosiva (Vr =Ve). Conocido la sección transversal en el lugar de la obra hidráulica antes del paso de la avenida, se escogen algunos puntos en cuyas verticales se desea conocer la profundidad de socavación. Uniendo estos puntos se obtiene el perfil de socavación. Considerando que la hipótesis del método es que el gasto en cada franja del cauce permanece constante durante el proceso erosivo, la profundidad de socavación será igual a O en las orillas, por Jo que no se permite estimar ninguna erosión lateral en las márgenes. Figura N° 4.01: Sección transversal del cauce. Las siguientes expresiones asumen que los suelos son homogéneos y que la rugosidad del cauce es homogéneo. a) Para suelos granulares: [ a* hs¡3 llfl+z Hs = 0.68 * {3 * D~zs ... 4.31 La anterior expresión no considera el efecto de la contracción del flujo debida a la obra hidráulica, ni el peso específico del agua 34 durante la creciente, por lo que debe corregirse mediante unos factores de ajuste cuando se trata de evaluar obras hidráulicas. El factor de corrección por contracción 11 es menor que 1 y contribuye al aumento de la profundidad de socavación. Tabla N° 4.10: Factor de corrección por contracción del cauce Jl V r--- (mis) < 7·0 7 -- 7·5 2 1-- 2·5 3 -- 3·5 > 't·O L.uz libre (m) 10 73 16 78 21 25 30 ll2 52 7·00 7·00 7·00 7·00 7-00 7·00 7·00 7·00 7·00 0·96 0·97 0·98 0·98 0·99 0·99 0·99 7·00 7·00 -- r-- -- - ---- --r-- -- 0·9ll 0·96 0·97 0·97 0·97 0·98 0·99 0·99 0·93 0·9ll 0·95 0·96 0·97 0·97 0·98 0·98 ---- --r-- -- ---- r--- 0·90 0·93 0·9'1- 0·95 0·96 0·96 0·97 0·98 0·89 0·97 0·93 0·9'1- 0·95 0·96 0·96 0·97 -- --r-- r--- --r- ---- 0·87 0·90 0·92 0·93 0·9'1- 0·95 0·96 0·97 0·85 0·89 0·97 0·92 0·93 0·9'1- 0·95 0·96 V: Velocidad media en la sección transversal 11: 1.0 si no hay obstáculos. 0·99 0·99 -- 0·98 0·98 - 0·98 0·97 63 106 72ll 200 7·00 7·00 7·00 7·00 7·00 7·00 7·00 7·00 ---- ---- 0·99 7·00 7·00 7·00 0·99 0·99 0·99 7·00 f-- ---- - 0·99 0·99 0·99 7·00 0·98 0·99 0·99 0·99 f--- -- --r-- 0·98 0·99 0·99 0·99 0·98 0·99 0·99 0·99 Para obras de captación, distancia entre los muros de encauzamiento. Adicionalmente, el efecto del peso específico del agua durante la creciente se considera en otro factor de corrección cp que es mayor o igual que la unidad y su efecto es reducir la profundidad de socavación. cp = 1, si Ym = 1.0 tnfm3 (agua clara). Ym: Peso específico de la muestra agua sedimento. cp = -0.54 + 1.5143ym, si Ym > 1.0 tnjm3 (lecho móvil). La ecuación final para el cálculo de la socavación considerando los factores de corrección por contracción y peso específico del agua, es la siguiente: a* 3 [ hs¡ ] 1 /l+z H5 : Profundidad de socavación, en m. h: Tirante del agua, en m. {3: Coeficiente de frecuencia. 11: Factor de corrección por contracción del cauce. 35 ... 4.32 qJ: Factor de corrección por forma de transporte de sedimentos. b) Para suelos cohesivos: Igualando las ecuaciones 4.25 y 4.29 y considerando los coeficientes de corrección por contracción y peso específico del agua durante crecientes, se tiene: [ hs¡ ] 1 /l+x a* 3 Hs = 0.60 * f3 * f.1. * f.fJ * Yl-18 ... 4.33 y5 : Peso específico del sedimento del lecho, en tn/m3. {3: Coeficiente de frecuencia. f.J.: Factor de corrección por contracción del cauce. qJ: Factor de corrección por forma de transporte de sedimentos. b) Método de Straub La siguiente expresión se usa para tener un estimativo del posible descenso que sufrirá el fondo del cauce debido a una reducción en su sección transversal. ... 4.34 B1 : Ancho de la superficie libre del cauce aguas arriba de la contracción, en m. B2 : Ancho de la superficie libre del cauce en la contracción, en m. h1 : Tirante del agua hacia aguas arriba de la contracción, en m. 4.5.3) Calculo de la socavación local en muros de encauzamiento Algunos métodos existen para la determinación de la socavación local: Liu, Chang y Skinner, Artamonov, Hire, Melville. Todas las ecuaciones existentes tienen limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, las ecuaciones han sido desarrolladas para cauces de lecho arenoso y no tienen en cuenta la posibilidad de acorazamiento. Las ecuaciones para el cálculo de la socavación se basan en información de laboratorio y muy poca información de campo existe para su verificación. El 36 ingeniero diseñador debe determinar la ecuación que mejor se ajusta a las condiciones de campo dadas. a) Método de Liu, Chang y Skinner El método se basa en una ecuación resultante de estudios de laboratorio y análisis dimensional realizados en 1961 y se aplica para las siguientes condiciones que se ilustran en la siguiente figura: Figura N° 4.02: Muros de encauzamiento que se prolongan hasta el cauce principal y no existe flujo en la zona de inundación. ----------------------------------- (»'', 7...ona. de inundad 6n BtUlcdi. del ctWce Restricciones del método: );;> Socavación en lecho móvil. );;> Encauzamientos que se proyectan dentro del cauce principal. );;> No existe flujo sobre las bancas del cauce de inundación. );;> Flujo sub crítico. );;> Lecho del cauce arenoso. );;> Las ecuaciones deben ser ajustadas por un factor de corrección Ke para considerar el efecto del ángulo de ataque del flujo. d L o.4 ; = K¡ * (h) * Fo.33 ... 4.35 ... 4.36 d5 : Profundidad de socavación de equilibrio medida desde el nivel medio del lecho hasta el fondo del hueco de socavación, en m. h: Profundidad media del flujo aguas arriba en el cauce principal, en m. 37 L: Longitud del muro de encauzamiento y accesos que se opone al paso del agua, en m. Fr: Numero de Fraude en la sección de aguas arriba. V: Velocidad media del flujo aguas arriba, en m/s. K¡: Coeficiente de corrección por la forma del muro de encauzamiento. K¡= 1.1 Para muros con pared inclinada hacia el cauce. K¡= 2.15 Para muros con pared vertical. b) Método de Artamonov ,1 j , Este método permite determinar no solamente la profundidad de socavación al pie de estribos en puentes, sino también al pie de espigones. Depende de los siguientes factores: };;> Porción del caudal que es interceptado por la estructura al meterse dentro de la corriente Q1 o Q2 . };;> Talud que tienen los lados del muro. };;> Angula entre el eje longitudinal de la obra y de la corriente e. Figura N° 4.03: Intersección del flujo por los muros. Método de Artamonov. TERRAPLEN ' CAUDAL ~ \INTERCEPTADO r.., '--~ t---..:.-·~---..J 1 , .. -J \...-, l_ ...... ......,_ • ..: 38 ... 4.37 HT: Profundidad del agua al pie del muro o espigón medida desde la superficie libre de la corriente. K8 : Coeficiente que depende del ángulo que forma el eje de la obra con la corriente, tabla 4.12. KQ: Coeficiente que depende de la relación entre el gasto teórico interceptado por la obra Q1 o Q2 y el caudal total Qd que escurre por la sección transversal, tabla 4.13. Km: Coeficiente que depende del talud que tienen los lados del muro, tabla 4.14. h: Tirante de agua en la zona cercana al espigón o muro antes de la socavación. Tabla N° 4.11: Coeficiente de corrección K8 e 20° 60° 90° 720° 750° K e 0·84 0·94 7·00 7·07 7·79 Tabla N° 4.12: Coeficiente de corrección KQ Ql/Qd 0·7 0·2 0·3 0·4 0·5 0·6 0-7 KQ 2·00 2·65 3·22 3·45 3·67 3·87 4·06 Tabla N° 4.13: Coeficiente de corrección Km Talud m 0·0 0·5 7·0 7·5 2·0 3·0 Km 7·00 0·97 0·85 0·83 0·67 0·50 e) Método de Froehlich 0-8 4·20 La ecuación dada por Froehlich está basada en análisis dimensional y el análisis de regresión de datos de laboratorio para 170 mediciones de socavación en lecho móvil. Se recomienda su uso para socavación tanto en lecho móvil como en agua clara, para muros de encauzamiento que 39 se proyectan dentro del cauce principal o no y para flujo concentrado en el cauce principal o combinado con flujo sobre las zonas de inundación. La ecuación de Froehlich que a continuación se expone es de uso común en los Estados Unidos de América. d ( L )0.43 _.!.. = 2.27 *K¡* Ke * - * Fre 0 · 61 + 1 he he ... 4.38 d 5 : Profundidad de socavación. he: Profundidad media del flujo (profundidad hidráulica) en la zona de inundación obstruida por la obra aguas arriba del muro de encauzamiento. K¡: Coeficiente que depende de la forma del muro de encauzamiento. K8 : Coeficiente qu