Diseño Hidraulico de Una Obra de Toma

Facultad de Ingeniería Escuela Escue la de Ingeniería Civil

M.Sc. Freddy Freddy M . Franco Alvarado Profesor del Curso 1

Generalidades Las Ob Obra rass de To Tom ma si sirv rven en Para regular o dar salida al Agua almacenada en una presa. Esta Es tass ob obra rass pu pued eden en ut utililiz izar arse se para pa ra sat satisf isface acerr nec necesi esidad dades es agríc ag rícola olas, s, de aba abastec stecimi imient ento o A poblaciones o a industrias. Las partes que forman una Obra de toma pueden variar, pero en general son: Una Presa derivadora, una torre de control de las compuertas, una galería de conducción y finalmente una estructura de disipación. 2

DISEÑO HIDRAULICO DE UNA OBA DE TOMA

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Algunas f unciones Cuando la capacidad reguladora es muy grande, resulta conveniente usar una obra de toma en combinación con un vertedor auxiliar. También las obras de toma, pueden servir como reguladores, para dar salida a las aguas temporalmente almacenadas.

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Clasificación de la Obras de Toma CRITERIOS DE CLASIFICACION

1. De acuerdo con el objetivo para el cual se diseñan. 2. De acuerdo con el punto de salida o descarga. 3. De acuerdo con la distribución estructural o física

4. De acuerdo con el régimen hidráulico 5. De acuerdo con el tipo de estructura de control.

CLASIFICACION

a) Para regadío b) Abasto a la población o industria c) Desagües de fondo a) Con descarga directa al río b) Con descarga en un canal c) Con descargas en una tubería cerrada a) Cuando el cauce es un canal o conducto libre, pero con régimen libre. b) Cuando el cauce es un conducto cerrado sometido a presión c) Cuando el cauce de la toma consiste en un túnel. a) Tomas de régimen libre b) Tomas de régimen forzado a) De control tipo Torre b) Con válvula de co ntrol 4


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Compo nentes de una Obra de Tom a En general los elementos Que componen una Obra de Toma se pueden agrupar en : 1.

Estructura de Toma, o de entrada, puede alojar mecanismos de control. También sirven de apoyo a elementos auxiliares, como las rejillas y dispositivos para derivación. 5

Controles 2. Los Controles, que normalmente son a base de compuertas, pueden ser de izaje o radiales, en los casos que las obras de toma no tiene compuertas (presas de regulación) el funcionamiento hidráulico será igual al de una alcantarilla de un vertedor.

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Obra de Conducción 3. Obras de Conducción, casi siempre que tratamos con presas reguladoras se trata de una galería, un túnel o una tubería en sus diferentes variantes. Si es una presa derivadora puede ser un canal abierto, una tubería o una combinación de posibilidades.

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Tramo Terminal 4. Estructuras Terminales y de disipación, La descarga siempre saldrá a velocidad en una dirección horizontal. Pueden ser pozos amortiguadores o terraplenes. En caso de los primeros tenemos con salida libre del chorro, con impacto del chorro y estructuras de trampolín o ski.

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Canales 5. Canales de entrada y de Salida, con frecuencia son necesarios en la entrada que encauce el agua a la toma y a la salida para regresar el agua al río o aguas abajo. Dependen del material en que se excave el canal principalmente. 9

Diseño Hidráulico de una Obra de Toma Siempre se inicia el diseño suponiendo un dimensionamiento que luego se ajusta para determinadas condiciones. Casi siempre que no existe respaldo analítico, se recurre a modelos para garantizar un comportamiento seguro.

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Dimensionado Inicial Si analizamos por ejemplo una Obra de toma que tiene las compuertas al interior de la cortina, que esta unida a un tubo que atraviesa por la galería y descarga a una salida. Tenemos: CASO DE CONDUCTO FORZADO En este caso el conducto debe tener un diámetro que satisfaga la carga y las relaciones: Sh

p

= H to p

ó Htop=hp+V2 /2g

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Diámetro para iniciar el Pre - dimensionado. 2

D= Donde :

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Q 15gH t

æ0,077 +n L ö ç ÷ è R ø 2

4

3

D = Diámetro de la tubería R H = D/4 Q = Caudal m3 /seg. Ht = Carga m. L = longitud total de tubería n = rugosidad de Manning

Esta ecuación sustituye el gráfico del libro de Presas Pequeñas.

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CASO DE CONDUCCION LIBRE

a) Primer Problema, asumimos: cota de nivel de embalse = cota de diseño. Se coincide que es probabilística. b) Diseño hasta las compuertas como conducción forzada.

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Esquema de Calculo

CI Hu H0 Hc Alt CD

 Cota de inicio de la conducción libre  Carga util disponible  Carga de operación  Tirante contraído aguas abajo de la compuerta  Altura de la galería conducción libre  Cota de diseño


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Del Grafico: Hu

=(CD - CI) - Shf

Ho

=H - h u

c

Si ha  Abertura de la compuerta, como factor de seguridad se aconseja en la literatura: h a = 80% h a máx. (Completamente abierta) En la parte de la compuerta el fenómeno es salida en orificio, si observamos en el dibujo, existe una vena contraída, donde: h c = e . h a ; , luego: e = 0.57 +

0 , 043 1 ,1

h H

(Albechiev) a u

Casi siempre: h c = 0.62 * h a 15

La capacidad de entrega, es igual a la salida en un orificio (en la compuerta), donde: Q = j A Ö2 g H o

, si

A = hc * b

Q = j h c b Ö2 g Ho  = 0,96 ; Para orificios de sección rectangular o cuadradas. RECOMENDACIONES a) Altura de la Galería  2.20 m. b) b  1.50 m.

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a. Primeramente verificamos la Validez del pre dimensionado . De las ecuaciones anteriores, reemplazamos en: Q 1.8 HT Los valores deben ser mayores, si no está sobredimensionada la obra y la compuerta trabaja al 50 %. Solo sirve para condiciones de operación. No para desviar el río y otros. b. Altura de la Galería, debemos controlar que el área mojada ocupe el 75% del área total: A Mojada  0.75 A total Como en la galería los tirantes varían, se toma el tirante mayor para calcular el área mojada. c. Calculo del “b” preliminar : Q Para el calculo inicial. Si da menor que 1,5 b = 0,8 HT se toma 1,5 17

d) Al interior de la galería

Se debe analizar el comportamiento del caudal, una condición inicial es la cota del agua, aguas abajo a la salida de la galería (y com). Siempre que se puede debe de evitarse el salto dentro de la galería. Si no se pudiera evitar, el salto máximo que se puede admitir es con NF = 2,5 (salto débil) como valor máximo. Si no existe el salto es necesario de todos modos analizar como se comporta el agua al interior de la galería. Si tenemos una Galería con pendiente subcrítica S o  S : Si hc > yc  No hay Salto Si hc < yc  Si hay Salto, existen varios casos que dependen de ycom. c

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Ejemplo de Cálculo

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M etodología de Cálculo Datos N.V.M.  Nivel de volumen Muerto ; L conducto forzado CD ; S - pendiente %  Cota de diseño 3 Q ; Lconduccion libre  9 m /s 1.- Carga Bruta Disponible Ht = CD – N.N.M. (1 %) Q Ht

= ³1,8

Si cumple entonces se verifica que se puede predimensionar

2.- Para :“b” b = 0.80

Q Ht

=

Se toma por comodidad un valor redondeado superior . 20


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3. Calculo de las Perdidas

Para iniciar el dimensionado asumimos h 1, si por las perdidas se requiere mas ajustamos el valor. Estas perdidas no deben exceder 5~10%. Si las perdidas son menores, podemos dejarlo con los valores por condiciones constructivas. a) Rejilla Perdida frente a la rejilla: h Lr = ktr * ( Vtr 2 / 2g ) Donde:

Vtr = Vr / (1 + s/b) - Velocidad a través y frente a la rejilla Vr = Velocidad a través de la rejilla: 0.6 m/seg  Vr  1.20 m/seg S = espesor de las barras b = espaciamiento entre barras ( 7 – 15 cms.)

Ktr =  * (s/b)4/3 * Sen ( Coeficiente de rejillas, Kuseliov)  = factor para el tipo de barra  = ángulo de la rejilla con la horizontal

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Perdidas de carga por Rejilla

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b) En la Entrada Pérdida en la entrada: h Le = ke * ( Ve2 / 2g ) Ve = Q / A

- Velocidad de entrada Q = Caudal de diseño que ingresa A = Área de la sección transversal

Ke = Tabla de presas pequeñas de King o Kuseliov Pueden ser rectangulares o circulares c) En el Conducto Perdida por fricción: h f = { (n2*L) / R4/3 } *V2 ;Wissbach – Darcy n = Rugosidad de Manning L = Longitud del tramo de entrada antes de la compuerta R = Radio Hidráulico V = Velocidad de entrada. 23


d) En las Compuertas i) Pérdida compuerta de operación: h co = kco * ( V2 / 2g ) V = No es la real para la abertura, pero se considera la velocidad del conducto. Kco = Coeficiente que toma el tipo de compuerta y el tipo de guía. Catalogo del fabricante. ii) Perdida compuerta emergencia:

hce = kce * ( V2 / 2g )

Kce = Coeficiente que toma solo el efecto de las guías. Catalogo del fabricante. Si

hp = (5 ~ 10%) Ht  Dimensionamiento Satisfactorio. 24


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4. Calculo de los Controles en la Compuerta de Operación

Se tiene que determinar la abertura optima de la compuerta, para lo cual calculamos: a) Carga Util Hu = (CD –CI) - hP ; y b) La Abertura Se verifica mediante una tabla de iteración, cuando los valores asumidos de ha produzcan un Q similar, termina la iteración. Recordemos: H0 = Hu – hc ; hc =  * ha ;  = 0.96 h a (m )

h c (m)

e

H 0 (m )

Q (m3/seg)

Por lo tanto, la altura de la abertura será: h a + 20% ha 25

5. Calculo de tirante en el tramo libre (h 2 )

a) Verificamos si existe Salto si hc < yc  existe Salto / y c = 3 (Q2 / g*b2) Dentro de la galería va a existir Salto, cuando la conjugada de hc coincida con la línea de y n. b) Calculo de la curva superficial, para lo cual a partir del tirante critico se describe la curva ( puede ser S3, S2, etc.). Debe comprobarse que: L curva < L galería c) Calculo del salto Hidráulico Para Canales con pendiente: y y

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1

æ 8Fr co s q ö ç = + 1 - 1÷ ÷ 2 co s qç è 1 - 2k * tg q ø 1

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3

1

Donde: Fr – Numero de Froude k - Coeficiente experimental (Rajamatnu, Kirimater etc.) - ángulo de inclinación con la horizontal. 26


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5. Calculo de tirante en el tramo libre (h 2 )

d) Se hace una tabla para diversas secciones, se busca el valor que se aproxime al tirante normal y alli se produce el salto: X (m)

y1

V 1

F R1

Y 2

Al determinar el valor del numero de Froude, se sabe el tipo de salto que se produce y su ubicacion. Si no se quiere el Salto, se incrementa la pendiente. e) Para determinar finalmente el valor del h 2, se incrementa 25% el area del vano de la galeria. 27


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