1ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

DISENO DE BOCATOMAS

I Parte

DOCENTE :Mg. JOSE ARBULU RAMOS

2008

2ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

DISENO DE BOCATOMAS

I Parte

Ing. Jos Arbul RamosProfesor Principal

3DISEO DE BOCATOMAS

Por: Jos Arbul Ramos

Ingeniero CivilMg. en IngenieraC.Dr. en Ciencias AmbientalesProfesor de Hidrulica en la Escuela de Ingeniera Civil FICSA-UNPRGProfesor de Hidrulica de la Escuela de Ingeniera Civil U. S.SIPANProfesor de Hidrulica de la Escuela de Ingeniera Civil UCV-Trujillo

4A mi hijo BIAGGIO

P R O L O G O

El presente material de trabajo, dirigido a los alumnos de Ingeniera civil , pretende aportarinformacin relacionada a las consideraciones de diseo de una de las principales estructuras

en un Proyecto hidrulico, llamada Estructura de Captacin en Ros o Bocatomas.

En la primera parte, se presenta los criterios fundamentales del diseo hidrulico y estructural

del aliviadero de demasas ; asi mismo el caso de los aliviaderos sobre cimentaciones

permeables.

En la segunda parte, comprende los criterios de dimensionamiento de las compuertas de

limpia, los pilares, las ventanas de captacin, estribos y muros de encauzamiento.

As mismo considero importante tratar en sta ltima parte a publicarse, un tpico dedicado a

la operacin y mantenimiento de una Bocatoma y un ejemplo de proyecto de una presaderivadora.

EL AUTOR

5CONTENIDO.

PROLOGO . 1

1.0 ALIVIADERO DE DEMASIAS : CALCULO HIDRAULICO 4

1.1. Criterios Fundamentales de! Diseo de la Estructura 4

1.2. Funcionamiento Hidrulico 4

1.2.1. Seccin Transversal del Aliviadero 4.

1.2.2. Descarga Sobre la Cresta 5

1.2.3. Vertederos de Pared Gruesa 15

1.2.4. Descarga Vertederos controlados por compuertas 16

1.2.5. Clculo de Tirantes Conjugados 16

1-2.6. Remanso. Amplitud. Ejercicio 18

1.2.7. Poza de Tranquilizacin 22

A. Clasificacin del Resalto por el nmer o de Froude 23

B. Fuerza de impacto sobra el dado de las pozas 28

C. Determinacin del espesor del colchn amortiguador 28

1.2.8. Consideraciones Adicionales 32

1.2.9. Solado Delantero 32

2.0. ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIMERO DE DEMASIAS 33

2.1. Fuerzas actuantes 33

2.2.1. Fuerza Hidrosttica 33

2.2.2. Supresin 33

2.2.3. Peso de la Estructura 34

2.2.4. Sismo 34

2.2. Requisitos de estabilidad de la estructura.

62.2.1. Esfuerzos de comprensin en la estructura 37

2.2.2. Esfuerzos de Comprensin en la Cimentacin 37

2.2.3. Fuerza de Deslizamiento 37

2.3. Enlace de aliviadero con la poza de tranquilizacion 40

2.4. Lloraderos. 40

3.0 ALIVIADEROS SOBRE CIMENTACIONES PERMEABLES 41

3.1. La magnitud de la fuerza de supresin 41

3.2. Volumen de filtracin- Ejemplo 42

3.3. Uso de dentellones- 43

BIBLIOGRAFA. 48

71.0 ALIVIADERO DE DEMASIASCALCULO HIDRULICO.

1.1 CRITERIOS FUNDAMENTALES DEL DISE0 DE LA ESTRUCTURA :

a. Altura del aliviadero sobre el fondo del ro, la necesaria para captar el agua e n

poca de estiaje del ro.

b. Estabilidad de la estructura bajo todas las fuerzas actuantes y

comportamiento de la cimentacin.

Nos ocuparemos de los aliviaderos de concreto ciclpeo.

1.2 FUNCIONAMIENTO HIDRULICO

1.2.1 SECCION TRANSVERSAL DEL ALIVIADE RO: En la Fg. 1. se ve una

seccin transversal del aliviadero, la forma del perfil curvilneo de aguas

abajo obedece a la trayectoria de la lmina vertiente sobre ella. A este

perfil se llama Perfil de Cimacio".

Por los conceptos de Hidrulica sabemos qu e la trayectoria del chorro en

cada libre se aleja ms de los ejes X -X que pasan sobre la cresta a

medida que la carga Ho aumenta. Lo que se procura en este diseo es

que la cara inferior de la lmina vertiente coincida con el paramento de

aguas abajo del aliviadero y as evitar que se tengan presiones negativas

que produciran " cavitacin" destruyendo el concreto.

Esto quiere decir que el diseo de este paramento debe hacerse. por lo

expuesto anteriormente para la carga Ho.(Carga de Diseo) esto es par a

la mxima avenida expectante del Proyecto lo que es establecido por los

mtodos vistos en Hidrologa.

Por tratarse de estructuras costosas deben ser los suficientemente

seguras, siendo la Avenida de Diseo expectante para una frecuencia de

1:50 aos.

8Con cargas menores que Ho la lmina vertiente se pega al paramento del

aliviadero ejerciendo presiones sobre ella.

La ecuacin del perfil es: y / Ho = -k ( x / Ho )n

Los valores de los parmetros k y n son obtenidos de la Fig. 1. en funcin

de hv / Ho y la inclinacin del paramento de aguas arriba:

hv =V2 / 2g V = q / (H + P)

En cuanto a la inclinacin del paramento de aguas arriba, sta depende

del anlisis estructural de estabilidad.

Los valores de R1, R2, Xc y Yo se dan en la Fig. 1.a

Para valores de P => Ho / 2 y el paramento de aguas arriba vertical. usar

la plantilla dada en la Fig. 2, sta plantilla se emplea por simplicidad con

respecto a la ecuacin, pero se hace la salvedad que la ecuacin es de

uso general.

1.2.2 DESCARGA SOBRE, LA CRES TA:

Q = C.L ( Ho)3/2

donde:

Q = Descarga (m3/seg.)

C = Coeficiente de descarga

L = Longitud neta de la cresta (m)

He = Carga sobre la cresta incluyendo h, (m).

La longitud efectiva neta de la cresta est dada por:

L = L1 - 2 (N - Kp + KA) HEL = Longitud efectiva de la cresta

L.1 = Longitud bruta o total de la cresta

N = Nmero de pilares que atraviesan el aliviadero

Kp = Coeficiente de contraccin de pilares

KA =Coeficiente de contraccin de estribos

He = Carga total sobre la cresta

Valores de Kp

Descripcin Kp

- Pilares de Tajamar cuadrado 0.02

- Pilares de Tajamar redondo 0.01

- Pilares de Tajamar triangular 0.00

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12

Geometra del perfil aguas arriba de la cresta vertederapara un paramento vert ical o con talud 1 : 3

Y = 0.5 . X1.85 Hd = cargo de diseoHd 0.85

X/Hd Y / H d X/Hd Y/ Hd X/Hd Y/ Hd

0.10 0,0070 1.1 0 0.5964 2. 10 1 .973

0.20 0. 0254 1.20 0.7006 2.20 2.150

0.30 0.0539 1.30 0.61 2 2.30 2.334

0.40 0. 0917 1.40 0.932 2.40 2.526

0 5 0 0.1 387 1.50 1.058 2.50 2.724

0.60 0.1914 1.60 1.193 2.60 2.929

0.70 0. 2565 1.70 1.334 2.8 0 3.359

0.80 0.3309 1.80 1 .483 3.00 3.616

0.90 0.4115 1.90 1.639 3.50 5.076

1.00 0.5000. 2.00 1.802 4.00 6.498

Fig. 2 Datos para el trazo del perfil de un cimac io tipo Creager usando la Frmula de Scimemi

13

VALOR DE. C: Este tiene correciones por los siguientesconceptos.

- Profundidad de llegada "P"= (Co).

-Con la relacin P/Ho se encuentra Co. (Fig. 3)Si. p = 0 ==> Co = 3.087 (vertedero de cresta ancha)-Este baco se usa en paramento vertical y He = Ho

2- Efecto de cargas diferentes a las del Proyecto : (K1 = C/Co)- Con la relacin He / H se encuentra C Co = K1 (Fig.4)o sea : C = Co.K1

3- Efecto del. Talud. aguas arriba: (K2 = C1 / Cv)- Con la relacin P/Ho y una inclinacin dada (Fig. 5)

se obtiene C1/Cv = K2C1 = Coef. paramento inclinadoCv = Coef. paramento vertical

C1 = K2. Cv = Co K1 K2

Valores de Ka

Descripcin K.A

- Estribos cuadrados con los muros 0.20de cabeza a 90* con la direccinde la corriente.Estribos redondeados con muros de 0.10cabeza a 90' con la direccin dela corriente cuando:- 5 Ho >, r =>, 0.15 Ho

- Estribos redondeados r > 0.5 Ho y 0.00el muro de cabeza est colocado noms de 450 con la direccin de lacorriente.

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4. Efecto de la Interferencia del lavadero de aguas abajo yde la sumergenca.

Lavadero: Es el.piso de la poza de disipacin.

- Los efectos de la posicin de ste con respecto a lacota de la cresta del aliviadero as como el nivel deagua con la descarga influye en el coeficiente "C".

- Con la relacin:(hd + d) / He se encuentra el valor Co/C K3 (Fig. 7)hd /Ho se encuentra el valor Co/C K4 (Fig. 8)

C = K1 K2 K3 K4 Co

-En ocasiones tomando en cuenta que la Avenida Mxima deproyecto se poco frecuente y de corta duracin, se disea elperfil del cimacio con una carga menor que consecuentementecorresponde a una avenida menor.

-Con este medida se consigue una economa en el aliviadero, yaque resulta menos ancha y robusta. Si el cmacio se dise conuna carga menor y se presenta una avenida mayor, se originanen la superficie de contacto del vertedor, y la lminavertiente, presiones negativas que hacen aumentar elcoeficiente de descarga.

-Si ocurre una avenida menor que la con siderada para el diseodel cimacio, se originarn presiones negativas sobre elparamento de descarga reduciendo el coeficiente "C".

-Se debe evitar disear con cargas menores al 75% de lascorrespondientes al gasto mximo

Ho =Carga para la que se proyecto la cresta. He =Carga de operacin.

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1.2.3. VERTEDEROS DE PARED GRUESA (En cortinas de enrocamiento)

- Vertedores de pared Intermedia: 3 H < a < 15 H(algunos autores lo llaman as).

- Vertedores de umbrales ms anchos: a > 15 H

S a > 2/3 H (el. manto de agua se adhiere a lacresta) hasta a = 3H.

S a < 0,5 H (la lmina se despega del umbral);a = 0,5 - 0.66 H (adherencia de lmina inestable)

Q = 2/3 L v(2g)*H3/2 = 2/3 *?(19.62)*L* H3/2

Q = 2.953 *L* H3/2 = 0.55 0.58

Basndose en los ensayos de otros vertederosde pared gruesa, que por algunas

circunstancias guardan ciertaanaloga con el vertedor de la cortina deenrocamiento, se ha convenido en adoptar para fines prcticosel valor 1.80, mientras se carezca de otra informacin o datosms adecuados, para el coeficiente C, del vertedor en lafrmula:

En general en todos estos tipos de vertederos, la frmulatiene la siguiente forma:

Q = C L H3/2

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1.2.4 DESCARGA POR VERTEDEROS DE CIMACIO CONTROLADASPOR COMPUERTAS

Q = 2/3 2g * C*L * (H1 3/2 H2 3/2)

1.2.5 Calculo del Tirante d1:

para C = 1.80, = 0.60 aprox.

- Con la relacin d / H1 se encuentraC (Fg. 9)

20

Z + dc + hvc = d1 + hv1 + hp.

Para seccin rectangular:dc = ( Q / gB) 1/3 Tirante critico.

hvc: carga de velocidad critica hvc = Vc / 2g ; Vc = (g*yc).

hp: perdida de energia(por lo general se desprecian debido a su magniud)

Z + dc + hvc = d1 + hv1

Bernoull. entre la seccin de contro que se localiza sobre lacresta del vertedor y otra seccin al pie del vertedor, es, decir

21

Por tanteos se verifica la igualdad hasta deter minar el valor d1:

Obtencin del Tirante conjugado d2:

Seccin rectangular:

d2 = -0.5d1 +- (d1 / 4 + 2V1 *d1 /g )

22

*Seccin Trapezoidal (por tanteos)

d2 = - (K / (3b b + 2td2))

Solucin grfica: Fig. 10. USBR

K = 6 ( Q/g(VI - V2) + P1 P1 = bd1/2 + td1/3

d1 = Tirante conjugado menor del salto hidrulico (m).d2= Tirante conjugado mayor del salto (m).b = Ancho del canal donde se produce el salto hidrulico.t, = Talud de las paredes del. Canal.P1 = Empuje hidrosttico debido a la secc in 1 en m3

V = Velocidad correspondiente al tirante di (m/seg).V2= Velocidad correspondiente al tirante d2 (m/seg).Q = Gasto al canal (m/seg).g = Aceleracin de la gravedad (m/seg).dc = tirante crtico del flujo (m)

Elevacin del piso tanque Amortiguador:

- Segn Fig. Elev (Pt)= (Elev. U + dn) - d2Altura de colchn: S = d2 - dn- Por seguridad de amortiguamiento; se usa un 15% ms del d2;o sea:

S = 1.15 d2 - dnCuando no se tenga el dato de (dn), se puede considerarconservadoramente el dc de la seccinde control.

REMANSO

1.2.6El flujo uniforme en un curso de agua se caracteriza por tinaseccin de flujo y pendiente constante. Tales condiciones

23

24

La aproximacin consiste en la sustitucin de la curva real de remanso por unaparbola de segunda grado, pasando por los puntos F y N tangente a la horizontal,que pasa por N y la recta FG.

Siendo: Zo = Carga hidrulica sobre el vertedero, Zo = Ho

La sobreelevacion NG del punto N (con relacin a la lnea primitiva

del rgimen uniforme)

Z = La sobreelevacin de un punto cualquiera situado a una

distancia L del embalse, la ecuacin de esta parbola ser:(2 Zo - S L)

Z = --------------4Zo

dejan de ser satisfechas, por ejemplo, cuando se ej ecuta un embalse en un ro. El, embalsecausa la sobre elevacin de las aguas incrementando el nivel del agua a una distancia aguas

arriba. Es esto lo que se denomina REMANSO.

La determinacin de una influencia de los embalses, o mejor, el trazo de la curva de remansoconstituye un importante problema de ingeniera, ntimamente relacionado a cuestiones talescomo delimitacin de las reas inundadas, volmenes de agua acumulada, variacin de lostirantes, etc.

En la practica el trazado aproximado a la curv a de remanso puede ser obtenido por unproceso prctico bastante simple. Es el proceso emprico conocido como el "Mtodo de losIngenieros del Sena.

Sea TB un embalse. arriba del cual las aguas se sobreelevan hasta N, vertiendo hacia aguasabajo. Conocindose el caudal. de las aguas y aplicndose la frmula de los vertedores, sepuede determinar la altura NB, esto es la posicin de N (Figura).

La experiencia ha demostrado que, para los cursos de agua de pequeas pendientes, lasobre elevacin de aguas arriba (REMANSO) deja de ser apreciable a partir de un punto F,situado en misma horizontal que pasa por el punto E.

25

La solucin prctica es obtenida entonces, dando a L una serie,de valores, equidistantes de 100 m., por ejemplo, y determinandolos valores correspondientes de Z, que permiten trazar la curva,dando valores a Z, variando de 10 en 10 cm., calculando ladistancia L correspondiente.

AMPLIIUD DE REMANSO:

Siendo las pendientes pequeas, Be puede tomar EF por GF.Para el tringulo GEF se tiene:

GF 2 Zo= ------- = S Por lo tanto: EF = 2 Zo / S

EF EFEl proceso considerado es aproximado, habiendo mtodos de mayorrigor. Mientras tanto, siempre que el declive sea pequeo (casoms comn),la aproximacin obtenida es satisfactoria bajo el puntode vista prctico. De lo contrario ninguna frmula da unaseguridad completa cuando se tiene en cuenta los efectos deremanso en casos excepcionales.

Por otro lado, en los proyectos de gran im portancia, la mejorsolucin es la que se obtiene con el estudio de modelos reducidos,o en este caso, verificndose los efectos producidos con laconstruccin del embalse por etapas progresivas.

Otros mtodos de clculo de remanso en canales podrn serencontrados en Balchmeteff, B.A. Hydraulic a of Open Channels, NewYork, 1962, Mtodo Bresse, Integracin grfica.

EJERCICIOEn un canal rectangular con 2.40 m. de ancho y 0.001 m/m dependiente, el flujo normal Be da con tirante de 0.65 m. con1.04m/seg. En este mismo canal se construye un pequeo embalsede 0.75 m. de altura. Determinar el remanso causado.Solucin:

Las aguas vierten sobre el embalsara que da unvertedor de 2.40 m. de un umbral; la carga del vertedor es de0.40 in. para el caudal de 1.04 m3/seg.Por lo tanto: NB = 0.40 m. (ver figura),

sobre elevacin en el puntoZo = TB + NB - y = 0.75 + 0.40 - 0.65Zo = 0.50 m.Los efectos del remanso sern sensibles hasta una distancia:EF = 2 Zo / S = 2 x 0.50 / 0.001 = 1000 mEF = 1000 m

(2 Zo - S L) (2 x 0.50 - 0.001 L)Z = ----------------- = ------------------

4 Zo 4 x 0.50

26

L = 1000 (1 - 1.4142 \/ Z )

--------------------------------------------------------

Z (m) 1.4142 \/ Z 1 - 1.4142 \/ Z L (m)--------------------------------------------------------

0.40 0.893 0.107 1070.30 0.776 0.224 2240.20 0.632 0.368 3680.10 0.447 0.553 5530.05 0.316 0.684 6840.00 0.000 1.000 1000-------------------------------------------------------

Dando valores sucesivos a Z, resulta la siguiente tabla

1.2.7. POZA DE TRANQUILIZACION.

- Poza disipar la energa producida por la cada de agua desde la cresta del

aliviadero se usa una Poza de Disipacin o Colchn .

A la entrada de la poza, el agua tiene un cierto nmero de FROUDE (F) que

define el tipo de RESALTO

- Se seala que para mejor funcionamiento hidrulico las secciones rectangulares son

las mejores para disipar la energa. Por esta razn todo lo siguiente se refiere a este

tipo de poza.

F = V / (g d)

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A. CLASIFICACION DE RESALTO POR EL NUMERO DE FROUDE:(Proyectos de Estanques o Pozas Disipadoras)

a) F = 1 : Rgimen es crticoNo se puede formar resalto

b) F < 1.7: Tirante conjugado d2 = 2 did2 = 1.4 do (Tirante crtico)V1 = 1.3 Vo (Velocidad de llegada)V2 = V1/2 (Velocidad de salida)

Vo = velocidad crtica-Longitud de la poza: Lp = 4 d2-No es necesario estanque

o) F (1.7 - 2.5): -Solo se producen pequeas ondas, no teniendo gran turbulencia.- Con bacos de Fig. 10a. pueden calcularlos tirantes conjugados, longitud de lapoza y la prdida de energa producida

por el resalto.- No se necesitan dados.

d) F (2.5 - 4.5): - Son resaltos intestables.- El oleaje producido se propaga hacia aguasabajo.- No se halogrado dispositivo efectivo para evitar el oleaje queproducira Socavacin de las orillas del ro aguas abajo,sinembargo resultados satisfactorios se han obtenido con la pozade laFig. 11- Los tirantes de la descarga para amortiguaren parte el oleaje deben ser 10% mayores queel tirante d2.- Cuando sea posible se evitar usar este tipode poza.

e) F > 4.5 -Es un resalto bastante estable.-Hay que distinguir dos casos:

e.1) Vi 15 m/seg.(Usar Fig.

13 USBR)

28

29

30

Fig.12 Caracteristicas de los estanquez amortiguadores para numeros de froude.De 4.5 cuando las velocidades de llegada no excede de 50 pies/seg.

31

Fig.13 Caracteristicas de los estanquez amortiguadores para numeros de froude.Superiores de 4.5.

32

B. FUERZAS DE IMPACTO SOBRE EL DADO DE LAS POZAS:

Esta fuerza (F) aplicada al centro de la cara de aguas arriba del dado puede calcularsecon la frmula:

F = 2 A (d + hv)Donde:

2: Factor de seguridad.: Peso especfico del agua. (kg/m3.).A : rea de la cara del dado aguas arriba (m2) .d : Tirante inmediatamente aguas arriba del dado.

hv : Carga (le velocidad (m).F :Fuerza sobre los bloques (Kg.).

- Puede suponerse el caso ms desfavorable:(d + hv) ----> (d1 + hv1) donde la energa especfica es mayor.

- Esta fuerza actuar sobre el dado comportndose como enCANTILIVER.- El fierro calculado se ancla al pisode la poza.

C. DETERMINACION DEL ESPESOR DEL COLCHON AMORTIGUADOR.

Se debe tener en cuenta el fenmeno de supresin.

La supresin acta a diferentes alturas d el aliviadero. Lo mismo que en la base de

contacto de la estructura con la cimentacin.

Gradiente Hidrulica

33

El Bureau of Reclamation da la frmula :F :borde libre (pies)

f = 0.1 (Vi + d2.) Vi :Veloc. a la entrada dela poza (pies/seg.)

d2 :Tirante conjugado (pies)

C.1 SUBPRESION:

El valor de la subpresin que se debe emplear en un proyecto. puede estimarse

considerando que la cada de presin del agua del vaso a la descarga a lo largo de l a

lnea de contacto entre la cortina y la cimentacin es proporcional a la longitud total de

filtracin compensada.

Se puede expresar de la siguiente forma:

Lx H

Sx = (Hxx - ---- H) A =(H + H' - ----- L) AL L

Paso de filtracin (criterio de LANE)Sx: Subpresin a una distancia x (kg/cm2.)

Hx: Carga hidrulica en el punto x." (m) = H + H

Lx: Longitud compensada hasta el punto x (m)

L : Longtud rompensada total del paso de filtracin (m)

H : Carga efectiva que produce la filtracin igual a la

diferencia del nivel hidrosttico entre aguas arriba y

aguas abajo de la cortina (m).

H': Desnivel entre el agua abajo de la c ortina y el punto

que se est estudiandoA : Pero Especifico del aguaH2 : Tirante de agua en la seccin considerada .

34

C.2 ESPESOR DEL COLCHON.

Se verifica que en cualquier punto del colchn su peso por lo menos igual al.valor de la suspensin en dicho punto:

eo = Sx (tericamente)e = Espesor de la seccin en este punto: Wc = SpxSx = Subpresin en un ancho unitario o x e x 1 = Sx

Por equilibrio Wc = Sx.

Wc Wc = o x V = o x e x1

===> e o = Sx

Sx

* Por razones de seguridad:Wc > Sx

===> Sx < Wc

3/4 e o = Sx (para las condiciones ms crticas)

* Para finesprcticos:

e =4 Sx3 o

En el caso de considerar un tirante de, agua, sobreseccin que se est analizando:

4 Sx - H2 A3/4 e o =Sx - H2 A e = --- -----------

3 o

Longitud de filtracin compensada: L = 1/3 Lh + Lv

H:Carga hidrulica efectiva.Lv:Longitud vertical- de filtracin

Relacin de carga compensada: c = L / H1/3 Lh +

Lvc = ------------H

L = CH = 1/3 Lh +LvLv = (1-2)+ (3-4)+ (5-6) + (7-8)Lh = (2-3) + (4-5) + (6-7)Lx = 1/3 ((2-3) + (4-x)) + (1-2) + (3-4)

35

Distancia horizontal : < 45Distancia vertical > 45C.3 CRITERIO DE BLIGHT:

Le da la misma efectividad a los recorridos Horizontales que a los verticales yrecomienda para C, (C = L / H) que es la relacin entre la longitud del pasode filtracin y la carga que la produce los valores que se observan en lasiguiente tabla:

MATERIALVALOR DE "C"

Limo y arena muy fina 18Arena muy fina 15Arena de grano grueso 12

Grava y arena 9

Tierra a cascajo con arena y grava 4 a 6

36

1.2.8. CONSIDERACIONES ADICIONALES:

TRAIMOVICH: e = 0.2 q0.5 Z 0.25

E = Espesor del colchnZ = Dif. niveles aguas arriba y aguas abajo del

vertedorq = Gasto unitario

KROCHIN: e min. = 0.30 m

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2.0 ANAILISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIADERO DE DEMASIAS.

Longitud de Poza:

-Segn:

LINDQUIST: L = Lp = 5 (d2 -d1)

CAFRANEZ: L=Lp =6d1V1/ \/ gd1WG.BLIGH: L = 0.612 C .\/ H (m)

Longitud de poza ms el empedrado:

L' = 0.642 C \/ Hq (m) q = m3/seg/m

1. 2:9 SOLADO DELANTERO (Lo).

Losas de concreto aguas arriba del aliviadero apoyada en elcauce del ro. lleva refuerzo de temperatura (e = 20 cm)

Lo min. = 5 Ho

38

Sp = 0.5 C h (H + h) / L

2.1 FUERZAS ACTUANTES (Por ml)

2.1.1 FUERZA HIDROSTATICA: (FH) Es el empuje del agua cargado de sedimentosobre la estructura. Tiene 2 componentes:

Fv = Peso delagua sobre el paramento de aguas arriba yes Vertical.

FH = Fuerza Horizontal FH = 0.5 H2

Punto de aplicacin: Yn h/3

= Peso especfico del agua (1450 Kg/m .),para FH ' = 1900 Kg/m (sedimento), para Fv

Cuando se tiene Caudal Mximo encima del Barraje:

P1 = Ho FH =( P1 + P2) PP2 = H ___2

P (2P1 + P2)Punto de aplicacin Yn = ------------

3 (P1 + P2)

2.2.2 SUBPRESION (Sp): Acta en la base del plano en estudio d elAliviadero de abajo hacia arriba.

Sp = C H /2

C = Coeficiente que depende del tipo de suelo.C < 1 (Arena y Limo)H = Altura total del agua= Peso especfico del agua sin sedimentos (filtrado)1000 Kg/m.

(2a + b) LXa = -------------Punto de

39

Donde: a = h, b = H

Xc = h(2a+b)/3(a+b)

Xc = Ax Yc = AyAt At

(3a + 3b)Aplicacin:

2.2.3 PESO DE LA ESTRUCT (W):W=V

"= Peso especifico del material: 2400 Kg/m (concreto)V =Volumen de la estructura en metro de ancho.El rea se calcula integrando las reas parciales de lasfranjas verticales trapezoidales en que se ha dividido todala estructura refirindola a los ejes X -Y.

2.2.4 SISMO: Cuando se produce el sismo ste repercute tanto en la masa del aguadel embalse como de la misma estructura- Para el Caso d e la estructura. las componentes de la del Sismo son:

Sv = 0.03 W Sh = 0.10 W

W = Peso de la estructura hasta el plano de estudioEstas fuerzas en el Centro de Gravedad de la estructura. (Punto de plicacin).-La fuerza del Sismo sobre el agua, que a su vez repercute sobre

la estructura es:

Yc=(a+b)-ab3 (a + b)

40

C = adimensional que da la distribucin y magnitud de las presiones.Cm = Valor, mximo de C para un talud constante dado (Fg.14)

aceleracin delsismo

-t la Intensidad del Sismo = -----------------------aceleracin de la gravedad

t = 0.1g/g = 0.1 (Valor promedio)

t = 0.32 g/g = 0.32 (VII - Esc. Mercally modif.) = Peso especfico del agua (lb/pie3)Y = Distancia vertical de la superficie del vaso a Laelevacin en cuestin (pies).h = Profundidad total de agua en al aliviadero (pies)

De la fig. 15 USBR se pueden obtener valores de C parataludes de varios grados y relaciones de Y y h.

Momento total (le vuelco:

Esfuerzo del Sismo:Donde: P = C t h

Ve = Valor total de la Fuerza Horizontal.Pe = Esfuerzo del sismo a la profundidad del. agua(lb/pie)

Ve = 0.726 Pe Y

C = 0 - 5 CM (Y/h * (2 - Y/h) + \/ Y/h * (2 - Y/h) )

Me = 0.299 Pe Y2

De La Fig. 14. seda los valores de Cm y C en la base para en Inclinacin del paramento de aguas arriba. Hay que hacer adems 2 observaciones encuanto al uso de estos grficos:

a)Si la altura (le la porcin delparamento (h),de aguas arriba

de la presa igual o mayor que Lamitad de la altura total. Dela presa (H). Considrese comos fuera vertical.

(h >= 11/2)

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b) En caso contrario nase con una lnea la interseccin del paramento aguasarriba con la cimentacin y el punto de la superficie del agua que pase por lalnea vertical correspondiente a la cresta, determinndose luego el ngulo .

2.2. REQUISITOS DE ESTABILIDAD DE LA ESTRUCTURA

2.2.l Esfuerzos de Compresin en la Estructura:

- Por tratarse de una masa de concreto ciclpeo, los esfuerzos en la estructura

deben ser de COMPRESION (tracciones mnimas)

- La resultante de todas las fuerzas en el plano de estudio debe tener su punto d e

aplicacin en el TERCIO CENTRAL (ncleo).

- El anlisis debe efectuarse para el embalse mximo y en vaci (Q = 0). En este

ltimo caso las nicas fuerzas actuantes ser el Peso de la Estructura, las

Fuerzas de Sismo, el valor de Sh estar dirigida hacia aguas arriba.

- En el caso de no caer la resultante en el ncleo central se Ir inclinando el

paramento aguas arriba lo necesario hasta cumplir tal condicin.

2.2.2 Esfuerzos de Compresin en la Cimentacin:

- Los esfuerzos deben ser los PERMISIBLES para q ue no falle la cimentacin por

aplastamiento" 0 vuelco" de la estructura.

- Por mecnica de suelos- deber determinarse la Resistencia de la Cimentacin.

Se recomienda usar las tablas de Resistencia de Suelos" para "Zapatas de

Cimentacin en Presas Pequeas''(USBR).

2.2.3 Fuerza de Deslizamiento.

- Por defecto de las fuerzas horizontales que actan sobre el Aliviadero, ste trata

de deslizarse hacia aguas abajo, luego pues debe chequearse estas fuerzas

tanto en el plano de estudio de profundidad .. Y - como en contacto con la

cimentacin, debindose tener:

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Fv suma de fuerzas resistentesF.S = ------- >= 4 ---------------------------- >= 4

Fh suma de fuer zas actuantes

Fv Tg() + A VzYF..S = -- ----------------- >= 4

Fh

Si Fh > Fv considerar dentellonF.s = Factor de seguridadFV = Sumatoria de fuerzas verticalesTg() = Coeficiente de friccinA = rea horizontal considerada por unidad de anchoVzY = Esfuerzo de corte del concretoVh = Sumatoria de fuerzas horizontalesfc = Esfuerzo de compresin del concreto

- El material del aliviadero es concreto f'c 140 Kg/cm, con 30% de piedra grande.

- Un elemento que ayuda a evitar el deslizamiento de laestructura, as como disminuye en cierto grado de magnitudde las figuraciones a travs de la cimentacin, como sever ms adelante es el DENTELLON de concreto como parteintegrante del aliviadero, formando una sola mole.

F.S x Fh - Fv Tg() = VzY x AABPor facilidades constructivas A AB >= O.60 m2 AAB: rea dela base del dentelln por metro de ancho.

Para rozamientos entre superficies f

- Concreto - concreto 0.75- Roca sana con superficie limpia e irregular 0.80- Roca con algunas fisuras y laminaciones 0.70- Grava y arena gruesa 0.40- Arena 0.30- Choy (arcilla laminar) 0.30- Limo y arcilla(*) Es necesario hacer pruebas

Para cimentacin de roca: El ancho del dentelln puede ser A -B en toda la profundidad.

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-Para material aluvional : Angulo = 60- CD, AB + h tan segn los tratados de cimentacin permeables)

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Material aluvional:suelos constituidas por materiales depositados por las aguasfluviales o marinas.

Vzv = f'c

2.3. EN LACE DE ALIVIADADE RO CON LA POZA DE TRANQUILIZACIONEs con una curva de radio mnimo r = 5d1, donde d1 es el tirante de llegada a

la poza. Para el enlace del aliviadero con la pozas se instala una junta semejante.Las juntas de dilatacin verticales del aliviadero deben colocarse mximo cada 15 m.Pueden ser de Jebe o cobre.

3.0 . ALIVIADEROS SOBRE CIMENTACIONES PERMEABLES.

2.4 LLORADEROS:Con un sistema de lloraderos se consigue tericamente cortarel recorrido de filtracin hasta el trmino de la longitud,calculada como necesaria segn el criterio empleado (LANE)logrndose con ello abatir el DIAGRAMA DE SUBPRESION .

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La mayora de nuestras cortinas (presas de deriv acin) tanto rgidas como flexibles,son sobre CIMENTACION PERMEABLE debido a que se desplantan a Pocaprofundidad del cauce y por lo general lecho del ro: grava, cantos rodados, bolones(bastante permeable).

Con las cortinas son de poca altura, los esfu erzos que se originan en la cimentacinson tambin relativamente Pequeos y pueden ser absorbidos por los estratossuperficiales del cauce, por lo que no siempre hay necesidad de prolongar lacortina hacia abajo, hasta encontrar un estrato rocoso casi impermeable o deresistencia muy alta.

Al. tener en la cimentacin de las cortinas materiales permeables, el agua filtradaproduce una presin hacia arriba o subpresin que obra en contra de la estabilidadde la cortina.

Cuando la velocidad del agua fi ltrada llega a su superficie como para lavar oarrastrar los materiales de cimentacin, se origina el fenmeno de TUBIFICACION,el cual produce asentamientos, disloques, ese. Afectando seriamente la estabilidadde la estructura.Las de la cimentacin del aliviadero (Lineas de corriente) pueden originar elSIFONAMIENTO o TUBIFICACION si no tienen el recorrido suficiente, produciendoSOCAVACION aguas abajo al final de la poza, por efecto de la diferencia de cargasHentre aguas arriba y abajo.

3.1 LA MAGNITUD DE LA FUERZA DE SUBPRESION

- Se pueden calcular mediante las redes de flujo que ha establecido la mecnica desuelos; sin embargo, en la mayora de los casos, no se dispone de datos relativos alcoeficiente de Permeabilidad de los materiales de cimentacin y por otra parte unestudio riguroso de las caractersticas de estos materiales no es Justificable, desdedel Punto de vista econmico para estos proyectos.

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-Las filtraciones pueden incrementarse notablemente si la carg a hidrulica aumentaal represarse el agua y por ello en algunas ocasiones ser necesario verificar que elgastro de filtracin no afecte al que se pretende derivar.

3.2 VOLUMEN DE FILTRACION

- Se calcula empleando la frmula que expresa la Ley de Dar cy.

Q = K . I . A

Q = Ganto de filtracin (m3/seg).K = Coef. de permeabilidad para la cimentacin; (cm/seg) gasto unitario debido a lapendiente hidrulica tambin unitaria.I = Pendiente hidrulica.

H / L = carga hidrostticalong. rec. de filtracin

A = rea bruta de la cimentacin a traves de la cual se producefiltracin(cm).

"K deber determinarse de acuerdo con los mtodos establecidospor la mecnica de suelos. La Fig. N ------------muestra los rasgos del valor de este coeficiente para varios tipos de suelos y seincluye con el fin de dar una idea aproximada del valor de este concepto.

EJEMPLO:Calculo del gasto de fltraci6n en forma aproximada bajo el.lecho de una dervadora, de acuerdo con l os siguientes datos:

-Longitud total de recorrido de filtracin 15.00 m-Carga hidrosttica 2.00 m-Espesor del estrato permeable 4.00 m-Ancho de la cimentacin 100.00 m

Al determinar el coeficiente, "K" de permeabilidad, se adopto

Como promedio para el estrato el valor de K = 0.002 cm/seg.

Gasto de filtracin para una faja de 1.00 m.

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DATOSk = 0. 002i =H / L = 2.00 / 15 = 0.133

A = 4 x 1 = 4 m = 40000 cm

Sustituyendo en:

Q = kIA = 0.002 x 0.133 x 40000 = 10.64 cm:3/seg.Q = 0.0106 lt/seg.

Gasto en ancho de 100 m.Q = 0.0106 x 100 = 1.06 lt/seg. (en un ancho de 100 m.)

3.3 USO DE DENTELLONES:

Para aumentar la longitud (le filtracin en las cortinas se emplean dentellones, yasea de concreto o de arcilla, y tapetes de arc illa compactada o mampostera.

DENTELLONES: Son zanjas que se introducen una cierta profundidad en lacimentacin, estn unidas ntimamente con el aliviadero.

Cuando se quiere Impermeabilizar a mayores profundidades se usan inyeccionesde lechada de concreto a presin por un barreno perforado en la cimentacin paraesto se usa una bomba.La lechada por la presin se expande radicalmente. Una serie de inyecciones seimpermeabilizaran la cimentacin en forma de PANTALLAS.

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LOSAS DE CONCRETO-ARCILLA :Se colocan como DELANTALES aguas arribadel aliviadero en su parte inicial se le une monolticamentecon una zanja. Van directamente apoyadas sobre el cauce de]. roy su unin con el aliviadero es por una Juntade Jebe(water-stop). Se debe mantener sellada al paso del agua todo elcontacto perimetral de esta loza por lo que tambin la unin deste con los estribos es por juntas.

- Como van simplemente apoyada en el cauce el refuerzo quelleva de fierro es por temperatura.- El espesor de estas losas aprox. es 0.20 m.

Instalacin de lloradores: Para aliviar los efectos desubpresion sobre el colchn se perfora huecos llamadoslloradores.- Su dimetro es 2 distanciados de 7 a 10 m. en ambossentidos.Una fila de lloradores va al final del colchn.- Bajo el colchn se instala muchas veces unos filtros a todolo ancho y largo del mismo para evitar el lavado del, materialde cimentacin por los lloradores producidos por la subpresin.

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