TOMAS LATERALES La toma lateral es una obra de captación superfcial y es la más empleada cuando se trata de captar el agua de un río. La orma más simple de concebir una captación lateral es como una biurcación. En primer lugar conviene presentar una breve descripción de los elementos constuyentes más recuentes de una bocatoma de captación lateral, los que podrían clasifcarse de la siguiente manera:
Elementos de encauamiento encauamiento y cierre. !u ob"eto es elevar el nivel del agua para permir su ingreso a la toma y al canal de derivación e impedir el desborde del río.
Elementos de descarga de avenidas. #ermiten el paso de las crecidas. !on órganos de seguridad.
Elementos de control control de sedimentos. sedimentos. $ienen $i enen por ob"eto el mane"o de los sólidos.
Elementos de control del ingreso de agua. #ermiten regular la candad de agua que ingresa a la derivación.
Elementos de control control de la erosión. #ermiten disminuir la erosión y la abrasión
Elementos estructurales. estructurales. !on los que dan estabilidad a la obra
La toma lateral, es la estructura de captación captación de un sistema de estructuras que acompa%an a la toma, como se muestra en la &igura '.', el dise%o del vertedero lateral consiste consiste en calcular la longitud del vertedero para un caudal de dise%o que se pretende tomar de un canal o un río. Los componentes principales para el dise%o de una toma lateral son:
(oca de toma: cuya sección eecva se determina en unción del caudal medio diario, el dise%o de la re"a de protección y a los niveles de )uctuación del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realiará de la misma orma que la se%alada para canales de derivación.
*anales+tuberías *anales+tuberías de conducción: debe ser calculada en unción al caudal máimo diario, para el dise%o ref-rase al capítulo de aducciones.
bras de encause y protección: dependiendo de las caracteríscas morológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y+o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto proyecto con conocimiento conocimiento pleno del sector de captación. captación.
TIPOS DE TOMAS LATERALES 1. TOMAS LATERALES TUBULARES: 1.1 DEFINICION:
Las obras de tomas para canales o reguladores de cabeceras, son disposivos /idráulicos construidos construidos en la l a cabecera de un canal de riego. La fnalidad de esos disposivos es derivar y regular el agua procedente procedente del canal principal a los later l aterales ales o de estos a los sub latera l aterales les y de estos 0lmos a los ramales. Estas obras pueden servir tambi-n para medir la candad de agua que circula por ellas. #ara obtener una medición eacta del caudal a derivar, -stas tomas se dise%an dobles, es decir, se ulian dos baterías de compuerta1 la primera denominada compuerta de orifcio y la segunda compuerta de toma y entre ellas un espacio que act0a como cámara de regulación 2&ig. 345. #ara canales peque%os y considerando el aspecto económico, se ulia tomas con una compuerta con la cual la medición del caudal no será muy eacta pero sí bastante aproimada
Figura 01: Toma con doble compuerta
*anales+tuberías *anales+tuberías de conducción: debe ser calculada en unción al caudal máimo diario, para el dise%o ref-rase al capítulo de aducciones.
bras de encause y protección: dependiendo de las caracteríscas morológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y+o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto proyecto con conocimiento conocimiento pleno del sector de captación. captación.
TIPOS DE TOMAS LATERALES 1. TOMAS LATERALES TUBULARES: 1.1 DEFINICION:
Las obras de tomas para canales o reguladores de cabeceras, son disposivos /idráulicos construidos construidos en la l a cabecera de un canal de riego. La fnalidad de esos disposivos es derivar y regular el agua procedente procedente del canal principal a los later l aterales ales o de estos a los sub latera l aterales les y de estos 0lmos a los ramales. Estas obras pueden servir tambi-n para medir la candad de agua que circula por ellas. #ara obtener una medición eacta del caudal a derivar, -stas tomas se dise%an dobles, es decir, se ulian dos baterías de compuerta1 la primera denominada compuerta de orifcio y la segunda compuerta de toma y entre ellas un espacio que act0a como cámara de regulación 2&ig. 345. #ara canales peque%os y considerando el aspecto económico, se ulia tomas con una compuerta con la cual la medición del caudal no será muy eacta pero sí bastante aproimada
Figura 01: Toma con doble compuerta
1.2 CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS:
En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se instalan normales al canal alimentado, lo que acilita la construcción de la estructura. 6eneralmente se ulian compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y esta tendrá una longitud variable dependiendo del caso especifco, por e"emplo cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier estructura, se puede f"ar una longitud de 7m para permir un sobre anc/o de la berma del canal en el sio de toma por raones de operación. 1.3 CALCULOS HIDRAULICOS:
1.3.1- Ecuación de la pérdida de carga total ( 8h): 9plicando la ecuación de (ernoulli en las ecuaciones 4 2entrada al conducto5, 2salida5, y considerando considerando como nivel de reerencia reerencia al e"e del conducto 2fg. 3'5, se ene:
Figura 03: Toma lateral.
2
V 1 H1+ 2g
2
V 2 H!+ 2g
+
∑ h 1− 2
;a que v4 < 3, se ene: 2
V 2 H1 H!+ 2g
+
∑ h 1− 2
2
V 2 2 H1-H! 2g
=e la fg. 3':
h
+
∑ h 1− 2
+
∑ h 1− 2
= H1 – H2 2
V 2 2g
h=
=onde:
H < *arga total, dierencia de altura entre la superfcie libre de 9gua en el canal principal y el canal lateral lateral
V2 2g < *arga de velocidad en el conducto.
h1
2
< sumatoria de p-rdidas entre los puntos 4 y .
En la sumatoria de p-rdidas se enen que considerar1 perdida de carga por entrada 2/e5, perdida de carga por ricción 2/5 y perdida de carga por salida 2/s5, !iendo esta 0lma despreciable, por lo cual se ene:
h 1 -2 h e h f … a.- "a# pérdida# de entrada entrada #e calculan por la #iguiente relación: 2
he $e
v 2g
%%%.. (3)
=onde: >2 = >elocidad >elocidad de la l a tubería ?e < *oefciente que depende de la orma de la entrada 2tabla 45
&orma de entrada *ompuerta en pared delgada @ contracción contracción suprimida en los lado y en el ondo $ubo entrante Entrada con arista en ángulo recto Entrada con arista ligeramente redondeada Entr Entrad adaa con con aris arista ta comp comple leta tame men nte red redon onde dead adaa r+= r+= < 3.4 3.477 Entrada abocinada circular
$e 4.33
3. A B 3. 73 3. ' 3.43 3.43 3.33C
&.&.- "a# pérdida# por 'ricción #e calcula con la ecuación: hf = S ! =onde: L < Longitud de la tubería !E < #endiente #endiente de la línea de energía
La ecuación de Danning establece que:
1
n
R
2 /3
S
1/ 2
=e donde: Vn R
2/ 3
2
¿
¿
#ara el caso que una tubería traba"e llena: D 4
Entonces se ene: 4
/
4 3
VnL 4/3 D
4
4 /3
D
nL
4/3
2
v 2g
2
124 . 579 nL 4/3
v 2g
D
………"" #
%$!ustuyendo 2'5 y 2C5 en 25, resulta:
∑ h 1− 2
2
V 2 2g
&e
2
+
124 . 579 n
L V 2 1 . 333 D ∗2 g
2
V 2 2g
h
( &e
124.579 n
e+
h
2
V 2 2g
D
2
L
1.333
2
……" #'%
124 . 579 n
+
D
1 . 333
2
L
2
V 2 2g
2
V 2 ) 2g
aciendo: 2
V 2 2g
9demás considerando que se trata de una tubería de concreto con coefciente de Fugosidad n < 3.347 y que eiste entrada con arista en ángulo recto, es decir, ?e < 3.7, se ene: 2
124 . 579 n
h
(1+ 0.+
h
(1.+ 0.028
D
1 . 333
L D
1 . 333
)
L
)
h*
h*%%%.. ()
Gue es la epresión para la carga total. 1.3.!.- ,imetro (d) rea (a) del conducto:
9plicando la ecuación de la connuidad
)=*+ =),*…
→
+
=e otro lado:
πD
4 A
2
→
4
π
¿/
1 2
¿
#ara los cálculos, con el dato del caudal G y suponiendo > < 4.3A m+s de la ecuación 2A5 se encuentra 91 con la ecuación 2B5 se determina =, este valor se redondea de acuerdo al diámetro superior inmediato que orece los abricantes. *on esta valor se recalcula / y posteriormente /*. 1.3.3.- 2umergenca a la entrada (2me): #uede usarse cualquiera de los siguientes criterios: 2me ,%%%%%%%%%%%. (4) 2me 1.56 h* + 0.05!m% (10) 1.3.7.- 2umergencia a la #alida (2m#): 2m# 0.05! m 1.3..- ncho de la ca8a de entrada a la toma (9) 9 , + 0.30%%%%%%%% (11) 1.3..- arga en la ca8a (h)
!e calcula como un vertedero de pared delgada. 2 /3
h
1"$"- ./34T/ 5!6!/: El dise%o de la toma lateral implica dar dimensiones a la tubería 2diámetro y longitud5, calcula la velocidad en el conducto, las dimensiones de la ca"a, la sumergencia a la entrada y salida, las dimensiones de la transición y las cotas de ondo correspondientes, conorme se indica en la fg. 3C.
Fig" 0$ lemento7 de una toma lateral El H.!. (ureau o Feclamaon proporciona ciertas recomendaciones para el =ise%o, del cual se /a adaptado el siguiente proceso de cálculo.
4.I 9ceptar la recomendación para la velocidad del conducto v < 4.3A m+s para iniciar cálculos. .I *alcular el área ;<* '.I *alcular el diámetro de la tubería π
D
2
J ,
4
4 π
A
C.I Fedondear el diámetro a uno superior inmediato que se encuentre disponible en el mercado. 7.I Fecalcular el área. π
D
2
4
K.I Fecalcular la velocidad ;< A.I *alcular la carga de velocidad en la tubería. 2
h*
V 2 2g
B.I *alcular la carga total /. .I *alcular la sumergencia en la entrada 2!me5. 2me 1.56 h* + 0.! pie# 2me 1.56 * + 0.05! m 43.I *alcula la suemergencia en la salida 2!ms5. 2m# 0.05! m (3=) 44.I *alcular los lados de la ca"a de entrada.
& , + 0.30 m 4.I *alcular la carga en la ca"a.
3 /2
;1.67 h
> (, + 1) Q 2 /3 ¿ ? h 1 . 486
¿
4'.I *alcular cotas. !L9* < *ota de ondo del canal M y4 *ota 9 < !L9* @ !me @ = *ota ( < !L9* @ !me @ = *ota (N < *ota ( M = *ota * < *ota ( @ C pulg < *ota ( @ 3.434K m !L9* < !L9* I8 / *ota = < !L9L @ !ms @ = *ota E < !L9L @ y 4C.I *alcular la longitud de salida "mim 1.! () =e acuerdo a inds: "
T − D 2 tan22.5
=onde: $ < Espe"o de agua en el canal lateral. = < =iámetro de la tubería. 47.I *alcular el talud de la transición de salida 1.. E@EAB"C: ,D2EC ,E " TCA G 1 ,E" " "TE" D-1 TCA G 1 *anal alimentador 2o principal5 : O @ 4 Hbicación de la toma: ?m. 3 M 3B3 *anal derivado 2o lateral5 : O I 4.4 ondicione# topogrIca# Las condiciones topográfcas a considerar para el dise%o de la toma, son las cotas de la rasante del canal alimentador y del derivado a inmediaciones de la ubicación de la toma1 así como mostramos en el siguiente esquema.
aracter#Jca# Hidrulica#: 1. anal limentador ( D K 1 ) 9 inmediaciones de la toma 3
Q = 1.38
m seg
! < 3.3337 n < 3.347 < 4.33 b < 3.A7 m ; < 3.7 m 9 < 4.K m v < 3.B7 m+seg & < 3.'CB
Grafico:
!. anal ,eri*ado ( D K 1.1 ) 3
Q = 0.0 S = 0.000! " = 0.01! # = 1.00
m seg
$ = 0.!0 % & = 0.30 % A = 0.24 m2 v = 0.38 %'seg GRAFICO:
2ección rectangular de toma 3
Q = 0.0
m seg
S = 0.000! " = 0.01! # = 0.00 $ = 0.!0 % * &= A= v= Grafico :
emos asumido en la sección rectangular una toma b < 3.73 m, por ser un anc/o recomendado en el proceso construcvo. Los demás valores lo calcularemos seg0n los niveles de energía que nos resulte al considerar las p-rdidas de carga en el dise%o /idráulico de la toma. 1..1 ,D2EC HD,L"DC ,E " TCA: *alculo /idráulico de la toma :
6ráfco:
Piveles de energía: 2
V 0 2g
2
V 1 2g
9naliaremos sección por sección para ver el comportamiento y los niveles de )u"o 9lrededor de la toma. 2EDC 0: !ección que corresponde al e"e del canal alimentador. 2
V 0 *arga de velocidad < 2g
0.85
2
∗
2 9.81
0.03m 2
9ltura de energía especifca H0M0+
V 0 2g
0.465m
Pivel de energía:
Pumero de &roude:
E0!!.13+H0!!.13+0.465 E0!3.30
F
F
√
2
Q T gA
3
=
√
5 . 046 41 . 704
2
1.38 2.65
∗
9.81 1.62
0.376
F0.376N1(Ou8o-#u&criJco-lento-calmado)
2EDC 1: !ección que corresponde a las inmediaciones de la compuerta, entre esta y la sección 3 eisten Qperdidas por derivaciónR Berdida# Bor ,eri*ación: 2
V 2g
?d < *oefciente de perdida en la derivación
elocidad corresponde al canal alimentador =V0=0.85 9ngulo de derivación < 3T 2g<.B4 m+ seg
2
m seg
5
#or aspectos teóricos de construcción 2acilitar cálculos5, se le /ace toma perpendicular al canal alimentador y seg0n tabla : Q −Qa 1 . 38 −0 . 09 = =0 . 94 … … . K d =0 . 90 Q 1 . 38 2
Bd0.40P
0 . 85
∗
2 9 . 81
Bd0.033
9alance Energia entre la# #eccione# 0 9ernoulli:
H0 Q1 + H1 + Bd aa",o 1/ 1
Feemplaando tenemos :
Do",5: "6o"c5:
audal Rue pa#a por de&a8o de la compuerta ; 0.04 Grafico:
!i b<3.73 Entonce# :
944<3.3+23.73 ;45<3.4B+;4
>4
V 2
V
4
+g<3.33+ Y 2
4
<3.3'+;4,
2
V
+g<3.3'+2g ;45 , g<.B4 m+seg
4
4
Energa E#peciIca: *alculados en el paso anterior : H10.7 H1M1 =espe"ando ;4 $enemos M10.! Feemplaando ;4 en 1& M1 =onde 10.S0.!0.3! 10.M10.3! >; > ;0.04 10.04<0.M10.!5 Luego tenemos: M10.! & 10.0 T10.0 10.3! 10.!5
elación arga CriIcio: Mamos asumir un valor para el orifcio teniendo en cuenta el rante que en condiciones normales presento el canal derivado 2OI4.45 ósea 2;<3.'35 además el valor asumido ene que ser menor que ;4 para aplicar la órmula del orifcio sumergido. 9sumiendo : a <+'; *anal =erivador a<+2'3.'35<3.3 Luego : ;4+a <3.K7+3.3<'.KU4.C
Emplearemos la ormula de orifcio sumergido: ;4 U 4.C3 G<*d a b g 3 #ero antes calculamos : oeIciente de ontracción $enemos: ;4+a <'.K Entonces : a+;4<3.'3K
2*c5
*on este valor entramos a la tabla de coefciente de contracción: *c<3.K7 *abe anotar que con reerencia a los valores de los coefcientes de contracción, las invesgaciones eperimentales que se /an realiado no llevan a los resultados coincidentes , de a/í que ciertos invesgadores 2!$EL5 recomiendan usar Ondisntamente para orifcios con descarga libre y sumergida el mismo coefciente de descarga 2*d5. !eg0n Vroc/in el valor *d varía del W al 7W del *c *oefciente de descarga 2*d5 2egn edernico*: dc < (1+c a
2egn Vrochin: d N 44-4 W X c
44X d 0.16 ? 0.53N0.43N0.16> tomamo# el menor 4X d 0.43
*onservadoramente tomaremos *d<3. para la misma compuerta este valor me va de captación menor, que si tomamos *d< 2>er ormulario de orifcio sumergido5 de esta manera c/equearemos el caudal de *aptación.
Secci8n 2: Flu9o Supercritico-Salto Hidraulico 2egn edernico* &2=a 9c = 0.20 0.2! = 0.13 A,5% : $2=0.!0 ;2=0.!0 A2=$2 &1 = 0.!0< 0.13 = 0.07 2= Q'A =0.0'0.07 =1.2 %'5g >2=1.14 ? 1 >@o S@B5rcri6ico
nerga 7pecifica
2=&222'2g 2=0.131.2 2 ' (2 <.81) =0.21! 2=32.130.21! =32.828
Secci8n ;: Flu9o Sub-ritico #.e7alto Hidr
M31.!UM! M31.!U0.130.1 A,5%:
b'<3.73 $'<3.73 9'''+ g ;' < 3.3X4 &lu"o !ubcrico
nerga 7pecfica 3=&332'2g
3=0.11.132'(2.81) =0.22! 3=22.130.22!=32.838
*omo ;' X ;n esto signifca que -l se corre aguas arriba c/ocando con la compuerta a/ogando el orifcio 2a5 .Esto quiere decir que la descarga es sumergida y esta proundidad se calcula seg0n >edernicov: &' &3= 1 2>2 3 (1 &3 ' &2) &=&3 1 2>23 (1 &3 ' &2) &=0.1 12 0.02 2 ( 1 0.1 ' 0.13) =0.34
iferencia de ni*ele7 entre la 7ecci8n (1) C (&)
U / <;4 @ ;s < 3.K7 I 3.'C3 < 3.'4 Esta es la carga 2altura5 que origina el caudal por la compuerta si esta carga 2 X/ 5 se Oncrementa o disminuye, se incrementa o disminuirá tambi-n el caudal por la compuerta *omo ;4 + a U 4.C3, empleamos la ormula de orifcio sumergido G<*d a b g 2; 4 I ;s5, caudal que ingresa por la compuerta =onde *d< 3.7A' a < 3.3 b < 3.73 g < .B4 ;4 < 3.K7 ;s < 3.'C X / < ;4 I; s <3.'4
Femplaamos valores G< 3.7A' 3.3 3.73 .B4 2 3.'4 5 < 3.4C4 m '+seg. G < 4C4 lt .+ seg. U 3 lt + seg. IIIIIII2 caudal que ingresa por la compuerta5 El caudal por la compuerta calculado 24C4 lt + seg.5 es mayor que el requerido 23 lt+seg5 en 74 lt + seg. 1 este eceso puede soportarlo el canal derivado por su margen de borde libre 2 con unos 7 cm. mas de rante el caudal de eceso puede ser soportar51sin embargo estos 74 lt + seg. , ba"a el caudal aguas aba"o del canal alimentador per"udicando su capacidad alimentadora para los posteriores canales subIlaterales. Este eceso es debido, que al comieno esmamos la proundidad del orifcio 2a< 3.35 y al llegar a los resultados el caudal de captación está por encima del requerido. 9/ora para que el caudal ba"e, seguimos el siguiente raonamiento: Entonces, que para ba"ar el caudal de captación, el orifcio se tendría que reducir. >amos a empear los cálculos con los mismos criterios anteriores pero en orma simplifcada. Esmamos a < 3.47 Felación orifcio: carga a <3.47 ;4 < 3.K7 ;4+a <3.K7+ 3.47
Secci8n : 2 ;< a * c < 3.3 III 3.43 9 < b ; < 3. 73 3.43 < 3.37 >< G + 9 < 3.3 + 3.37 < 4.B3 & < > + g ; < 4.B4A < ; M > + g < 3.K7 E < .BAB
Secci8n ; & < 4.B4A3 ;' + ; < .7 Donograma ;' < 3.' b '< 3.73 9'< 3.4 >' <3.A7 &' < 3.C '< 3.7 E'<.BA *omo ;' X ;n 2 3.' X 3.'35 =escarga !umergida o 9/ogada ;s < 3.'A X/< ;4 I ;s < 3.B
audal por la ompuerta G < *d a b g 2 ;4 @ ;s 5 G < 3.7B 3.47 3.73 .B43.B < B lt + seg. , Es el caudal aceptable para un caudal requerido de 3 lt + seg. B lt+seg. IIIII3 lt+seg. YY.? Luego 1se acepta estos cálculos.
Secci8n 7: ;s < 3.'A3 9s < 3.733.'A<3.4 >s < 3.3+ 3.4<3.CA s < ;s M>s + g < 3.'B Es < .'
!ongitud del .e7alto: #!r% !eg0n la tabla elaborada por la & (HFE9HYYYYYYY.. &4<>4+ g ; 4.A3 .33 .73 '.33 '.73 C.3 7.33 K.33 B.33 43 Lr <; C.33 C.'7 C.B7 7.B 7.77 7.B K.33 K.43 K.4 K. &4 < Pumero de &raude donde comiena el resalto ;< $irante *on"ugada Dayor 2donde termina la ona turbulenta5 Lr < Longitud del Fesalto #ara nuestro caso : ;< 3.43 &< 4.B4A IIII .3 Lr + ; < C.'7 Lr < C.'7 ;
La longitud del resalto es de 3.CC , conservadoramente ,esta longitud la redondeamos a
3.73m 2 tratando de asegurar que la ona turbulenta quede antes de la transición )
!ongitud de la compuerta ha7ta donde ocurre : L< a + * c a< 3.47 *c < 3.K L<3.47+3.K < 3.C L < 3.7
2. TOMAS LATERALES MODULARES: !.1 DTEDC2 YEE"E2 ,E" ,D2EC HD,L"DC: Ea 6o%a g5"5ra5 5 ,i5Fara" ,5 ac@5r,o a a co",icio"5 6oBogrfica @5 Br55"65 a raa"65 ,5 ca"a ai%5"6a,or C 5 ca"a ,5riva,o/ 6a%$iH" 5 har 5 56@,io ,5 a BHr,i,a ,5 carga Ca @5 5 co"oci%i5"6o ,5 5a " o B5r%i65 cac@ar o "iv55 ,5 5"5rgIa/ %@C i%Bor6a"65 Bara 5 JDi%5"io"a%i5"6o ,5 a 6r@c6@ra i,r@icaK. Ea BHr,i,a ,5 carga 5 5Br5a" 5": 2
V H=k 2g
=onde V es el coefciente de perdida cuya difcultad es escogerle un valor, nosotros Escogeremos el más apropiado de los que estudiosos recomiendan, cabe destacar que los >alores de QVR son obtenidos eperimentalmente y llevados a la prácca en enómenos !imilares. !.!. BE,D,2 ,E Y E TCA ,E BE, ,E"Y,:
90º
#-rdidas que com0nmente se originan en tomas: 95 EP$FE !E**OPE! 4.4 ; . 2#d5 #erdidas por derivación en bordes de entrada. (5 EP$FE !E**OPE! . ; '.' 2#r5 #erdidas por re"illas. *5 EP$FE !E**OPE! '.' ; C.C 2#p5 #erdidas por mac/ón o pilar. =5 EP$FE !E**OPE! C.C ; 7.7 2#c5 #erdidas por compuertas. 6eneralmente para nuestros dise%os consideramos las perdidas en 95 y =51 pues las tras enen mínima incidencia en el dise%o, por lo que al /acer el balance de energía
2Ecuación de (ernoulli5 entre las secciones 4.4 y 7.7 tendremos: E1 < E5 M Pd M Pc
!.!.1 BE,D,2 BC ,EDDC: !eg0n >en $e */o[, este enómeno es complicado por las dierentes variables que en el interviene, a connuación se presenta algunos valores del coefciente 2?d5, para ángulo de derivación 3T. $9(L9: *E&O*OEP$E! #9F9 =E$EFDOP9F #EF=O=9! #F =EFO>9*OP <3T Q −Q 0 0.! a Q 0.7! 0.87 L,
0.7! a 0.80 0.88
0.80 a 0.8! 0.8
0.8! a 0.! 0.0
0.! a 0.8 0.
Do",5: 2
#d
V 2g
?d < *oefciente de perdida en la derivación v < >elocidad corresponde al canal alimentador Las perdidas por bordes de entrada no se tomaran en cuenta por no tener signifcancia. !.!.! BE,D,2 BC CABLET2:(Bc) $omando en consideración los eperimentos realiados al respecto se /ace un análisis de dic/a situación, donde se /a tratado de resumir el enómeno, teniendo en cuenta las conclusiones respecvas.
9P9LO!O! =EL &LH\ EP L9 *D#HEF$9 =EL &P=
H1= Energía total en las inmediaciones de la compuerta.
*uándo: &1'a1M1.4
se emplea ormula de orifcio con poca carga 2no /ay resalto) Q Cd √ 2 gb ( H 1 / − H 2 / ¿ ……..(I) *uando: 3 2
3 2
&1'a1?1.4
se emplea ormula de orifcio sumergido Q Cd ab √ 2 gH 0 …….(II)
En ambos casos se ene : *d < *oefciente de descarga Y1 < 9ltura de agua antes de compuerta Ys < 9ltura de inmersión hs < =ierencia de niveles ates y despu-s de la compuerta a < 9ltura de la abertura b < 9nc/o de la abertura *c < *oefciente de contracción l1 < =istancia de la compuerta a la que ocurre Y E < #erdida de carga en el resalto Y3 < $irante con"ugado 2sub crico5 de Y l2 < Longitud de resalto H0 < H1 @ Y2 descarga libre H0 < H1 @ Y5 descarga sumergida c < #erdida de carga por compuerta El coefciente de contracción y de descarga depende de la relación a'Y1
!eg0n >E=EFPO*>1 para encontrar : 9, / Y5 / Y 3/ Y2 / E / c / se usan las relaciones siguientes : cc
√ 1 + cc
Y 2 2
+
a y 1
√
2 g
2
gy
2
2
+
y 2 4
Y 5 Y 3 = √ 1 + 2 F 3 (1 + ) Y 3 Y 2
&2=a*cc y 3 − y 2 ¿
E=
3
¿ ¿ ¿
1=a'cc
2=A(&3&2)/ S5g" Si5" 9hi
Fespecto al comportamiento idráulico del salto despu-s de la compuerta, se presentan tres alternavas : 4.I *uando el rante del canal aguas aba"o de ' Y es mayor a ' Y , en este caso el salto se correrá /acia aguas arriba c/ocando con la compuerta y a/ogando el orifcio, se dice que la descarga es sumergida. .I *uando el rante del canal aguas aba"o de ' Y es igual a ' Y , en este caso el salto ocurrirá inmediatamente de Y , este es el caso ideal para evitar la erosión, la descarga es libre. '.I *uando el rante del canal aguas aba"o de ' Y es menor a ' Y , en este caso el salto es repelido desde el lec/o y correrá /acia aguas aba"o causando uerte erosión, este po de salto deberá evitarse en el dise%o, la descarga es libre. *uando la descarga es libre a la salida de la compuerta, la ecuación OO toma la siguiente orma:
Q Cd ab √ 2 gH 0 = Cd ab √ 2 g ( H 1 −Y 2 ) 2
V 2 + DC 2g Q Cd ………..(III) 2 g¿ ab √ ¿
*uando la descarga es sumergida o a/ogada, la misma ecuación OO se transorma en: Q Cd ab √ 2 gH 0 = Cd ab √ 2 g ( H 1 −Y 5 ) ……(IV)
#or otro lado se ene para descarga libre 2Ecuación OO5. =onde: Q Cd ab √ 2 gH 0 Q/ab Cd √ 2 gH 0 Q'A=v
A
a < altura de abertura b < anc/o de abertura 9< área
3. TOMAS SUMERGIDAS !on estructuras empleadas para captaciones de peque%as candades de agua en ríos, en las cuales la lámina de agua se reduce considerablemente. El ob"evo de este po de estructuras es que se puedan proyectar de tal orma que se acomode al lec/o del río, procurando que en -pocas de caudal mínimo el agua pase por la re"illa. El agua captada mediante la re"illa localiada en el ondo del río, se conduce a una ca"a de donde la tubería sale al desarenador. Este po de tomas constan de lo siguiente: Hna presa para represar el agua, colocada de manera normal a la corriente. Duros laterales de contención para proteger la presa y encauar el río. Hna re"illa colocada sobre la presa cubriendo la canaleta de aducción. Hna canal de aducción colocado dentro de la presa y deba"o de la re"illa.
Hna cámara de recolección de agua situada al fnal de la canaleta. Hn vertedero de ecesos dentro de la cámara de recolección, para arro"ar al río los ecesos de agua que no transporten por la tubería de conducción.
3.1 C2D,EDCE2 ,E ,D2EC I !e resuelve de manera alternava una captación lateral totalmente sumergida a parr de las mismas necesidades de caudal que para la captación po diqueItoma y de condiciones topográfcas e /idrológicas similares. !e esman los niveles de agua sobre el vertedero para los caudales de crecida, medio y mínimo, se predimensiona la re"illa parendo de datos como diámetro de barrotes y espaciamiento entre los mismos y por tanteos se determina las dimensiones defnivas de la re"illa teniendo como dato importante para su dise%o una velocidad de paso de 0.1 m<#. I !e dise%a del vertedero po ]E! con una pendiente vercal del paramento aguas arriba, para cuyas condiciones ?< y n<4.B7 dentro de la órmula general, nuevamente se detalla la obtención del punto de tangencia y las curvaturas en la parte superior del perfl. !e dimensiona la cámara de recolección, se calcula el vertedero de ecesos y la tubería de desag^e1 se realia las esmaciones de los niveles del agua dentro de la ca"illa en condiciones mínimas, medias y máimas y a parr de dic/os niveles más las consideraciones topográfcas se dise%a la tubería desde la ca"illa /asta el desarenador y se calcula el caudal captado en cada condición para así dimensionar el disposivo de evacuación de ecesos a la entrada del desarenador.
ertedero ZE2 re8illa para captación lateral totalmente #umergida
i#ta en planta
3.! B[AETC2 ,E ,D2EC Caudales del Río:
I
I
I
#ara determinar el caudal de la corriente superfcial, se llevaron a cabo mediciones directas en campo. #ara ello se aplicó el m-todo de velocidad superfcial, debido a que el canal presenta secciones y tramos más o menos constantes y rectos, de orma que se puede asumir un )u"o uniorme. *on ayuda de )otadores y establecida una distancia, se determina unos empos para calcular la velocidad superfcial. *onocida la sección /idráulica del canal, se calcula el caudal a parr de la ecuación de connuidad, obteniendo: G má, G min, G med #ara dise%ar la bocatoma, se debe verifcar en primer lugar que el caudal de dise%o sea inerior al caudal mínimo del río en el sio de captación. La presa y la garganta de la bocatoma se dise%an como un vertedero rectangular con doble contracción.
I
La capacidad de dise%o de las obras de captación, para un nivel de comple"idad medio alto, debe ser igual a veces el caudal máimo diario, así: G =<_G md #ara determinar el valor de la lámina de agua para las condiciones de dise%o y para las condiciones máimas y mínimas del río, se aplica la ecuación:
Cálculo Nivel De Crecida
Cálculo Nivel Mínimo
Diseño De La Presa
I
ncho de la Bre#a. =ebe depender del anc/o total de la estructura de captación. !e asume un anc/o: & !. m. #or lo tanto, la lámina de agua en las condiciones de dise%o es:
=onde: G < caudal de dise%o 1 L < 9nc/o de la presa La corrección de la longitud del vermiento por las dos contracciones laterales del vertedero es: =onde corresponde al QnR n0mero de contracciones laterales y LN es la longitud corregida. La velocidad del agua al pasar sobre la re"illa debe cumplir con la relación: >elocidad del río sobre la presa:
Lo anterior permite aplicar las ecuaciones del alcance de c/orro para la determinación del anc/o del canal de aducción. Diseño de la rejilla.
La captación de aguas superfciales a trav-s de re"illas se ulia especialmente en los ríos de onas monta%osas, los cuales están su"etos a grandes variaciones de
I I
I
caudal entre los periodos de esa"e y los periodos de crecientes máimas, con el fn de limitar la entrada de material )otante /acia las estructuras de captación. elocidad del Ou8o en la re8illa. La velocidad eecva del )u"o a trav-s de la re"illa debe ser inerior a 3.47 m+s, con el fn de evitar el arrastre de materiales )otantes. ,imen#ione# de la re8illa. El anc/o de la re"illa debe depender del anc/o total de la estructura de captación4. !eg0n literatura especialiada, el anc/o mínimo de la re"illa es de 3.C3 m y la longitud mínima debe ser de 3.A3 m. Las dimensiones son con el ob"eto de acilitar las labores de limpiea y mantenimiento de la estructura. 2eparación entre &arrote#. La separación entre barrotes, para el caso de estructuras de captación en ríos con gravas gruesas, debe ser entre A7 mm y 473 mm. #ara ríos caracteriados por el transporte de gravas fnas, la separación entre barrotes debe ser entre 3 mm y C3 mm. #ara re"illas uliadas en la captación de aguas superfciales en cursos de agua de onas monta%osas, la re"illa debe estar inclinada entre 43W y 3W /acia la dirección aguas aba"o. En el caso de otros pos de estructuras de captación, las re"illas deben tener una inclinación de A3Wa B3Wcon respecto a la /oriontal
Diseño Del Canal De Aducción
I
El canal de aducción recibe el agua a trav-s de la re"illa y entrega el agua captada a la cámara de recolección. $iene una pendiente entre 4 y CW. La longitud de la re"illa, y por lo tanto del canal de aducción es menor que la longitud de la presa.
=onde:
Niveles de aua en el canal de aducción.
I
i*el gua# &a8o. #ara que la entrega a la cámara de recolección se /aga en descarga libre, se debe cumplir que la altura de la lámina de agua a la entrada sea igual a la proundidad críca de la misma.
=onde:
La velocidad del agua al fnal del canal será:
I
i*el gua# rri&a. 9sumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por medio del análisis de candad de movimiento en el canal.
=onde:
Diseño De La Cámara De Recolección
I
!i la velocidad del agua a la entrada de la cámara cumple con el rango establecido, las dimensiones mínimas de la cámara pueden determinarse con base a las ecuaciones del alcance de c/orro del agua, reemplaando los t-rminos por l os de la condición de entrada a la cámara.
=e los cálculos /idráulicos se establecen las condiciones mínimas de la cámara de recolección. !in embargo, es importante determinar que -stas cumplan con estándares de dimensionamiento que aciliten las labores de mantenimiento de la misma. Cálculo de la al!ura de los muros de con!ención.
!e calcula mediante la siguiente órmula:
Caudal De E"cesos
I
*onociendo el caudal promedio del río, se calcula la lámina de agua en estas condiciones.
I
La capacidad máima de captación de la re"illa, se puede aproimar al caudal a trav-s de un orifcio, a parr de la ecuación: =onde:
I
#$ODO`9*OP La altura de la lámina del agua de ecesos, se calcula a parr del caudal de ecesos obtenido y teniendo en cuenta las dimensiones de la cámara.
I
Puevamente se aplican las ecuaciones de alcance de c/orro para calcular la posición del muro de la cámara de salida, uliando los valores de eceso.
I
!e adiciona un espacio de borde libre, para que no golpee el muro y evitar el deterioro de la estructura.
Diseño #u$ería De E"cesos
I
9plicamos la ecuación de aen @ ]illiams:
4. TOMAS GRANJA: COMPUERTAS
!on compuertas de carga grande1 las compuertas son estructuras que se ulian como medios para regulación de gasto, cierres de emergencia y cierres por mantenimiento1 se ubican en lugares como cárcamos de bombeo, poos radiales, canales de llamada y obras de toma en presas. El material para la abricación de las compuertas puede ser ferro undido o de placas y perfles laminados de acero 9I'K ó 9IA. Las compuertas de ferro undido son suministradas por casas constructoras especialiadas, para cargas /asta de '3 m, y se pueden conseguir de orma circular o rectangular. 7.1 E2TLTLD\
Las compuertas planas se deberán estructurar de alguna de las siguientes maneras: La pantalla se apoya sobre largueros de separación variable y de sección constante. La pantalla se apoya sobre largueros de dierente sección y espaciados igualmente. La pantalla se apoya sobre largueros iguales al más cargado con separaciones iguales. La primera opción es la más indicada en compuertas de superfcie de grandes dimensiones porque es la que me"or uso /ace de los materiales. La 0lma opción es la más ácil de construir y puede aplicarse, tanto en compuertas sumergidas como de superfcie, aunque con cierto desperdicio de material. 7.! Y
La carga /idrostáca al centro de la compuerta es:
donde: P9D nivel de aguas máimas ordinarias 2m.s.n.m5 4 elevación al pie de la compuerta 2m.s.n.m.5 a altura de la compuerta 2m5 Empu"e /idrostáco sobre una compuerta sumergida:
=onde: [ peso específco del agua < 4333 Vg+m' a altura de la compuerta 2m5 b anc/o de la compuerta 2m5 4 carga de agua sobre la cabea de la compuerta 2m5 carga de agua al pie de la compuerta 2m5 El empu"e /idrostáco se aplica a una distancia ;, medida desde la cabea de la compuerta
Empu"e /idrostáco sobre una compuerta de superfcie.
*uando la pantalla se apoya sobre largueros de la misma sección transversal pero con separaciones dierentes1 la distancia medida desde la superfcie del agua al e"e de cada larguero está dada por:
=onde: /4 carga /idrostáca, en m, a la cabea de la compuerta. n n0mero de larguero 9 área del trapecio de carga /idrostáca actuando sobre la compuerta 2para el caso de compuerta sumergida5. P n0mero de partes en que se divide el trapecio de cargas < n a carga aplicada a un larguero 2área equivalente5.
Hna ve defnida la separación de los largueros se procederá a calcular las cargas, momentos y ueras cortantes a los que quedan su"etos considerando los largueros como simplemente apoyados. P$9: !e pueden usar otras unidades siempre que sean compables. La de)eión calculada en cada viga no deberá eceder de 4+733 del claro eecvo 2L5. En el caso de que la viga o reuero se abrique con placas soldadas la relación entre el peralte 2d5 y el anc/o del alma 2b[5 de la viga no deberá eceder del valor siguiente 2K.'5.
7.3 ,D2EC ,E " BT""
La pantalla puede dise%arse suponiendo que traba"a seg0n una de las siguientes /ipótesis: *omo viga connua de anc/o unitario, apoyada en cada uno de los largueros y en los bordes /oriontales. *omo placa apoyada en los bordes vercales 2compuertas de superfcie5. *omo placa apoyada perimetralmente 2compuertas sumergidas5. 7.7 CTC" E 9DFLDCE2.
*uando se incrementa el caudal en la obra de toma de un canal, una parte se distribuye en las biurcaciones de las tomas laterales en uncionamiento y, otra, )uye aguas aba"o /asta el etremo fnal del canal de conducción. #ara lograr un buen control de la distribución, los cambios en el gasto del canal principal deberán responder eactamente a los cambios planeados en los gastos de las tomas que necesitan un incremento del caudal, sin aectar a las tomas que no enen programado un cambio en la demanda de riego. La naturalea inestable del )u"o transitorio en canales abiertos permite acotar la difcultad que representa reducir, en la toma lateral, los eectos de las variaciones en el canal. !eg0n el po de estructuras de control que eistan en los canales y en las etracciones laterales, estos eectos incidirán de manera directa en la efciencia /idráulica y operava de las estructuras.
9sí, por e"emplo, en algunas estructuras de etracción tradicionales como las compuertas Diller, las variaciones del rante en el canal producen uertes variaciones en el caudal de etracción, por lo que se califcaría como una estructura de ba"a efciencia /idráulica. #or otra parte, para reducir este eecto se necesitaría de varias maniobras para la abertura de la compuerta Diller, lo que se califcaría tambi-n como una estructura con ba"a efciencia operava. Las etracciones equipadas con módulos de gasto constante podría /acer regulaciones más efcientes del canal, ya que este po de estructuras absorben las variaciones del rante en el canal manteniendo el caudal más o menos constante. =e esta manera, la efciencia de uncionamiento de las estructuras de control y de etracción puede evaluarse mediante la )eibilidad de las biurcaciones 2&5. Esta )eibilidad se defne por la sensibilidad relava del gasto de la toma gran"a, Go, y del gasto suministrado 2Gs5 por el canal de alimentación:
Esta ecuación se puede epresar en la siguiente orma:
=onde las H son los eponentes cargaIgasto de las dos estructuras y las son las cargas sobre las dos estructuras. #ara una biurcación con una & peque%a, la mayoría de las variaciones del gasto estarán en el canal principal. Esto puede representarse por una toma gran"a que es una compuerta con carga grande 2peque%a H3 y grande 35, y una estructura de control que es un vertedor anc/o y poco proundo 2grande Hs y peque%a s51 por e"emplo, un vertedor pico de pato. En este caso, el gasto de las tomas gran"a puede mantenerse constante 2a menos que est- obstruido por sedimentos5 y todos los errores en el gasto serían transmidos /acia el fnal del canal. #ara biurcaciones con una & grande, la mayoría de los cambios en el gasto saldrán del canal en la biurcación. Esto puede representarse mediante una toma gran"a, que es un
vertedor anc/o y una estructura de control, que es una compuerta con carga grande. Hn buen e"emplo de esto es un vertedor de emergencia 2obra limitadora5. #ara biurcaciones con una )eibilidad de uno, el gasto es proporcionalmente dividido entre la toma gran"a y la connuación del canal. !i las dos estructuras son del mismo po y se colocan la misma altura, entonces la )eibilidad de las dos estructuras no variará con el nivel del agua. Este es un caso no usual. En realidad, las dierencias en )eibilidad con la carga pueden uliarse a nuestra conveniencia en el dise%o de estructuras de control.
VERTEDEROS Los vertederos pueden clasificarse de la siguiente manera: a) Según la altura de la lamina de fluido aguas abajo, en vertederos de lámina libre (Figura 1a ), y vertederos sumergidos (Figura 1b ). b) Según la disposición en planta del vertedero con relación a la corriente, en vertederos normales (Figura 2a ), vertederos inclinados (Figura 2b ), vertederos quebrados (Figura 2c ) y vertederos curvilneos (Figura 2d ). c) Según el espesor de la cresta o pared, en vertederos de cresta a!ilada (Figura 3a ) y vertederos de cresta anc"a (Figura 3b ).
Los vertederos de cresta afilada sirven para medir caudales con gran precisión, mientras que los vertederos de cresta anca desaguan un caudal mayor. !e aqu" la diferencia de aplicaciones entre ambos: los de cresta afilada se emplean para medir caudales y los de cresta anca, como parte de una presa o de otra estructura idr#ulica, para el control del nivel. $n esta pr#ctica se tratar# con vertederos de cresta afilada. !icos vertederos tambi%n se clasifican según la forma de la abertura en: &ectangulares (Figura 4a ), tra#e$oidales (Figura 4b ), triangulares (Figura 4c ) y #arab%licos (Figura 4d ).
' su ve, los vertederos rectangulares se clasifican en vertederos sin contracci%n lateral, si el anco del vertedero es igual al anco del canal ( Figura 5a ) y vertederos con contracci%n lateral en caso contrario ( Figura 5b ).
&'(' Vertedero rectangular sin contracci%n lateral
&')' Vertedero triangular
$ste tipo de vertedero se emplea con frecuencia para medir caudales pequeos (inferiores apro*imadamente a + ls). $n la Figura 7 se muestra un esquema de la geometr"a de este tipo de vertedero. $l #ngulo - puede tomar cualquier valor, aunque es muy frecuente el vertedero con - /01.
&'*' Vertedero rectangular con contracci%n lateral 2uando el vertedero no abarca completamente el anco del canal, como el vertedero de la Figura 8 , la l#mina de agua que fluye por encima del vertedero se ve sujeta a una contracción lateral.
DISE+O , -O.STR/--I0. DE VERTEDEROS1 Dise2o de barreras Directiva de vertederos1
IMPERMEA3ILI4A-I0. DE 3ASE VERTEDERO DE RESID/OS I.ERTES1
D9!9 =E FE!O=H!
*9#9 =E &LO$F *9#9 =E =FEP9\E 2para cogida de liiviados5 (9FFEF9 6EL6O*9 9F$O&O*O9L 3.7m 2cuando la barrera natural no cumple5 (9FFEF9 6EL6O*9 P9$HF9L: $erreno de #ermeabilidad y espesor equivalente ? < 43IA m+s, en espesor igual 4m.
VERTEDERO DE RESID/OS .O PELI5ROSOS1
3'S' !$ &$S4!56S
2'7' !$ 8L49&6 2'7' !$ !&$';$ < 0.=m para cogida de li*iviados >$6S49$9426 !$ &$85$&?6 !$ L' 437$&3$'@4L4?'246 @'&&$&' >$6L6>42' '&948424'L < 0.=m (cuando la barrera natural no cumple) @'&&$&' >$6L6>42' '95&'L: 9erreno de 7ermeabilidad y espesor equivalente A B0C/ ms, en espesor igual Bm.
VERTEDERO DE RESID/OS PELI5ROSOS1
3'S' !$ &$S4!56S
2'7' !$ 8L49&6 2'7' !$ !&$';$ < 0.=m para cogida de li*iviados >$6S49$9426 !$ &$85$&?6 !$ L' 437$&3$'@4L4?'246 @'&&$&' >$6L6>42' '&948424'L < 0.=m (cuando la barrera natural no cumple) @'&&$&' >$6L6>42' '95&'L: 9erreno de 7ermeabilidad y espesor equivalente A B0C/ ms, en espesor igual =m.
6unci%n del revestimiento arti!icial im#ermeable
'islar los residuos de la barrera geológica. &educir al m"nimo la acumulación de li*iviados en la base del vertedero, facilitando la recogida de li*iviados.
-olocaci%n del revestimiento arti!icial
Se sitúa debajo de una capa de drenaje con un espesor <0.= m, formada
generalmente por grava. $l revestimiento se acopla a una anja lateral.
El revestimiento arti!icial
$s una l#mina impermeable de elevada resistencia mec#nica, que impide la
infiltración de los li*iviados. $*isten diversos tipos de materiales en el mercado que cumplen estas funciones.
5eomembranas
L#minas de polietileno de alta densidad: D 0./E gcmF.(G!7$). Se fabrican a partir de pol"mero base virgen no regenerado, con una purea m"nima del /HI.
Se aade negro de umo en un JCJ.=I, para adecuar su resistencia a la lu ultravioleta.
5eosint7ticos85eocla9liner:5-L;1
KSon materiales mi*tos fabricados en forma de sandMicN, colocando una capa fina de bentonita entre dos l#minas de pl#stico o de fibra te*til.
5eocla9liner:5-L;<3entomat1
K'merican2olloid fabrica un producto colocando c#psulas de bentonita sódica(Oolclay) entre dos capas de geote*til de polipropileno entretejido.
ESTR/-T/RAS , 6ILTROS ARTI6I-IALES 5eote=tiles
L#minas filtrantes de protección con fibras de polipropileno o poliester.
5eogrido 5eomallas> 5eodrenes
'nclaje de recubrimientos en terrenos inestables 7rotección mec#nica de geomebranasy geote*tiles Sustitución de capas de drenaje
-OLO-A-I0. DE LA 5EOMEM3RA.A DE 3ASE1
-/3RIMIE.TO S/PERIOR -ubrimiento su#erior1 clausura 9 sellado del vertedero -ondicionantes1
9ipo de residuos (generación de gasesP to*icidad) 2onsolidación prevista 7recipitaciones anuales 5so de la ona ocupada por el vertedero @arrera de impermeabiliación y condiciones finales de la red de drenaje en el vaso
Soluci%n !inal1
3inimiación del per"odo de riesgo ambiental 7otenciación de los procesos de estabiliación de los residuos
VERTEDERO DE RESID/OS I.ERTES1 2'7' !$ 26@$&95&'
Soporte de Oegetación 2'7' !&$'9$ (3ineral o >eosint%tico) >$6S49$9426 6 '&24LL' !$ 437$&3$'@4L4?'246 2'7' !$ &$>5L'&4?'24Q
3'S' !$ &$S4!56S
VERTEDERO DE RESID/OS .O PELI5ROSOS1 2'7' !$ 26@$&95&' (< Bm) 2'7' 84L9&'9$ (>ranular o >eosint%tico) 2'7' !&$'9$ 34$&'L (<0,F0m) @'&&$&' 437$&3$'@L$ 2'7' !$ &$26>4!'S !$ >'S$S 2'7' !$ &$>5L'&4?'24Q (<0,=0m)
3'S' !$ &$S4!56S
VERTEDERO DE RESID/OS PELI5ROSOS1
