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MODELAMIENTO DE EROSIN EN UN BARRAJEI. INTRODUCCIONLas obras de toma o bocatomas son las estructuras hidrulicas construidas sobre un ro o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captacin, el que se define como el gasto mximo que una obra de toma puede admitir. El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Per hay en operacin un gran nmero de obras de toma para aprovechamiento hidrulico. El diseo de estas estructuras es casi siempre difcil y debe recurrirse tanto a mtodos analticos como a la investigacin en modelos hidrulicos. La observacin y anlisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. Los problemas que se presentan en una bocatoma son mucho ms difciles cuando se capta agua desde un ro que cuando se hace desde un cauce artificial (canal). El diseo de una obra de toma puede ser un problema muy difcil, en el que debe preverse la interaccin estructura-naturaleza. La obra de toma, cualquiera que sea su tipo, es un elemento extrao 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. Esta interaccin que se presenta al construir la obra, y en el futuro al operarla, debe ser prevista y contrarrestada oportuna y debidamente. La estabilidad y la vida de una bocatoma estn asociadas al concepto de Avenida de Diseo, pero bsicamente en este informe describiremos la erosin que presenta esta bocatoma y su variacin con el caudal.II. OBJETIVOSGENERAL: Observar la erosin real del lecho de fondo para el prototipo y el modelo unidimensional en un barraje de una bocatoma, sobre todo en el tramo siguiente del tanque disipador de energa.ESPECFICOS: Observar la modelacin unidimensional de un barraje con lecho de fondo de arena. Observar la erosin real del lecho de fondo en un barraje de una bocatoma (prototipo), sobre todo en el tramo siguiente del tanque disipador de energa. Observar la erosin real del lecho de fondo en un barraje de una bocatoma (modelo), sobre todo en el tramo siguiente del tanque disipador de energa.

III. MARCO TERICO

1. BOCATOMASLa bocatoma, azud, toma o presa deribadora es la estructura que se construye sobre el lecho del ro con la finalidad de atajar cierto caudal de agua, para verter dicho caudal en el canal de derivacion.CLASIFICACINLas podemos clasificar en:A) BOCATOMAS DIRECTAS: son posibles de disear en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa, tienen el inconveniente de que el lecho del rio puede variar y dejar la toma sin agua , igualmente en las epocas de estiaje al disminuir el tirante de agua en el rio puede disminuir considerablemente el ingreso de agua en la toma.B) BOCATOMAS CON BARRAJES: son las ms empleadas ya que aseguran una alimentacin mas regular, conservan un nivel constante en la captacin que permite dominar una mayor rea regable. Estas tomas pueden presentar tres variantes: La toma con barraje fijo, la toma con barraje mvil y la toma con barraje mixto.

2. BARRAJESDEFINICION. Es una represa construida a travs del ro con el objeto de levantar el nivel de agua del mismo, su altura debe ser tal que permita una carga de agua suficiente en la toma, para el ingreso seguro del agua en esta, considerando las prdidas de carga que se producen en los muros, rejillas y compuertas de seccin en la toma. El barraje puede presentar los casos extremos siguientes: Una presa muy larga y poco elevada en tramos anchos del curso del ro. La solucin es sencilla ya que la presin del agua no es elevada y permite diseos estables. Una presa corta pero elevada en tramos profundos del curso del rio. En este caso la presin es menor por lo cual la presa ser ms cara , ya que demandar estribos y cimentaciones mas reforzadas .ELEMENTOS PRINCIPALES DEL BARRAJE Los elementos son: La presa propiamente dicha La poza de tranquilizacion o colchn de disipacin El enrocamiento DISEO DEL BARRAJEPara el diseo del barraje se considera esta estructura como si fuera un vertedero de pared gruesa.

El gasto sobre el barraje est dado por:

Donde: L: Longitud del barraje en metros Yc = Tirante critico en metrosEl perfil de la cresta del vertedero se ajusta al perfil que tendria la vena liquida al caer libremente.

Utilizando la frmula:

Donde:x e y : coordenadas referidas a la cresta Hd : carga de diseo BOCATOMA DE BARRAJE FIJOLas bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa slida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captacin.Esta solucin es posible cuando el rgimen del rio es uniforme y la capacidad de captacin de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulacin, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa.Igualmente es aconsejable este tipo de bocatomas cuando el rio tiene un transporte de solidos o una capacidad de transporte apreciable.Con el objeto de proteger las riveras aguas arriba y aguas debajo de la presa se disean muros de encausamiento y proteccin. PROBLEMAS ESPECIALES QUE PRESENTAN LAS BOCATOMASEn los grandes aprovechamientos hidrulicos el costo de la bocatoma representa slo un porcentaje muy pequeo del costo total del proyecto. La consecuencia prctica de este hecho es que no se debe escatimar esfuerzos ni tratar de obtener una estructura econmica, sino que se debe buscar el mximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un ro transporta lo siguiente: a) Agua proveniente de la precipitacin que ocurre en la cuenca b) Slidos, tambin llamados sedimentos, provenientes de la erosin de la cuencac) Hielo, en los lugares que existe, y d) Cuerpos extraos como rboles, plantas, basura y desperdicios. Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un ro. El transporte de cuerpos extraos constituye una funcin no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre nosotros. En general, el diseo y operacin de una bocatoma en muchos de los ros de la costa peruana presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias: a) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargasb) Insuficiente informacin hidrolgica c) Gran transporte slido y de cuerpos extraos d) Aparicin eventual del Fenmeno de El Nio (FEN). A continuacin se ofrece algunos comentarios sobre los cuatro problemas mencionados. Para que una obra de derivacin sea estructuralmente estable es condicin indispensable que el tramo fluvial en el que se halla ubicada lo sea. De ac la necesidad frecuente de obras de encauzamiento asociadas a la obra de toma. Durante las grandes avenidas ocurre frecuentemente que los ros se desbordan, hay cambios de recorrido, aparicin de brazos y otras muestras de la inestabilidad fluvial propia de los ros jvenes. Ocurre algunas veces que al producirse uno de los fenmenos sealados la bocatoma se queda en seco, resulta burlada y, ciertamente, fuera de servicio aunque sin sufrir daos. En consecuencia, como parte del estudio de una bocatoma se suele hacer un cuidadoso estudio de hidrulica fluvial en el tramo comprometido.Otro de los problemas serios que se presenta frecuentemente en el diseo de una bocatoma se origina en la presencia de eventos hidrolgicos extremos: a veces grandes avenidas y otras veces gran escasez de agua. Las grandes avenidas crean una serie de problemas hidrulicos y estructurales que deben ser debidamente evaluados. Algunas cuencas tienen fenmenos particulares que no pueden dejarse de lado. Un buen ejemplo de esto es la cuenca del ro Santa donde la ocurrencia de aluviones y las especiales caractersticas de geodinmica externa de la cuenca determinan que una estructura construida sobre el lecho fluvial sea muy vulnerable a eventos cuya frecuencia y magnitud no pueden calcularse. En estos casos el evento ms desfavorable para la bocatoma no es necesariamente la avenida calculada con un periodo de retorno grande.

La escasez de agua tambin crea problemas, pues en esas oportunidades hay que captar gran parte, o la totalidad, del agua presente en el curso principal, lo que puede ser inconveniente. De otro lado, sabemos que para efectuar un diseo con alta probabilidad de xito habra que tener, entre otras informaciones, un amplio y confiable registro de datos de campo. Es muy frecuente que en nuestros proyectos la informacin hidrolgica sea escasa y de baja confiabilidad. Generalmente se tiene series histricas muy cortas, lo que da inseguridad en el clculo de las grandes avenidas y, como consecuencia, en el clculo del periodo de retorno de la avenida de diseo.Por lo general los ros transportan grandes cantidades de slidos, sea como fondo o de suspensin. Durante las avenidas estas cantidades se incrementan enormemente y constituyen una serie dificultad para el diseo y operacin de las bocatomas en las que se debe captar agua con la mnima cantidad posible de slidos. El estudio del transporte de sedimentos y de las maneras de eliminar los slidos en la captacin son aspectos importantes del diseo de una bocatoma. Hay tambin muchos proyectos en los que la presencia de cuerpos extraos, como basura y desperdicios, causan un dao grande en las captaciones. El manejo de los slidos es un asunto importante en el diseo de una bocatoma. En general, la bocatoma debe disearse de modo que no ingresen al sistema los slidos de mayor tamao. Ser inevitable que los finos ingresen. Para su eliminacin se dispone a continuacin de la bocatoma un desarenador. Es por eso que el sistema bocatoma-desarenador conviene estudiarlo sedimentolgicamente como una unidad. El Fenmeno de El Nio (FEN) es un fenmeno natural que representa para la ingeniera, la economa y las actividades humanas en general, una modificacin transitoria, eventualmente fuerte, y algunas veces desastrosa, del clima predominante en una parte importante del planeta. Las bocatomas de la costa peruana han sufrido en mayor o menor grado el impacto del Fenmeno de El Nio. Algunas han sido destruidas, otras han sufrido fuertes daos y han salido de servicio, y, muchas de ellas, han necesitado importantes reparaciones. El resultado de la falla de una bocatoma afecta todo el proyecto que depende de ella, con los consiguientes gastos de reconstruccin o rehabilitacin de la estructura y los originados por la interrupcin del servicio. Muchas veces la interrupcin del servicio tiene consecuencias no slo econmicas, sino sociales, pues la falta de agua es mortal para los seres vivos. Por lo tanto, la relacin entre el Fenmeno de El Nio y las bocatomas es un problema real de ingeniera civil que requiere de una atencin especial. Luego del mayor conocimiento que en la actualidad tenemos acerca del FEN resulta evidente que sus efectos no pueden dejar de considerarse en el diseo de una obra de derivacin importante. La rapidsima mencin de los cuatro puntos anteriores nos da una idea de la gran cantidad y diversidad de problemas que hay que enfrentar y resolver para disear una obra de toma. En la Figura N 1 se aprecia esquemticamente el sistema bocatoma-desarenador.Son numerosos los problemas que se presentan en el planeamiento de las Obras de Toma, debido principalmente a la interaccin estructura-naturaleza.El planeamiento es el paso previo al diseo. El planeamiento correcto es sumamente importante para el xito del proyecto. Es difcil establecer una metodologa de planeamiento; sin embargo, se presenta a continuacin algunos temas que deben tenerse en cuenta. Los temas deben tratarse mediante un proceso de aproximaciones sucesivas. El orden en el que se les presenta a continuacin est determinado slo por razones propias de la exposicin. Su nmero puede ser bastante mayor. Como una forma de iniciacin en el tema del planeamiento de una obra de toma se considera los siete temas de anlisis siguientes: a) Comportamiento hidrolgico b) Aspectos de hidrulica fluvialc) Transporte slido d) Seleccin del tipo de tomae) Microlocalizacin de la obra de toma f) Geometra de la bocatoma, yg) Condiciones particulares de operacin y mantenimiento La Hidrologa constituye la informacin de base indispensable para el proyecto. Los objetivos del estudio hidrolgico son: a) Saber que en el ro vamos a tener la cantidad de agua requerida y poder as garantizar el servicio.b) Conocer las grandes avenidas para el clculo de la avenida de diseo y poder as garantizar la estabilidad de la estructura. CONDICIONES DE DISEOSon varias las condiciones generales de diseo que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su tipo o caractersticas. Entre las principales estn las siguientes:a) Asegurar la derivacin permanente del caudal de diseo y de los caudales menores que sean requeridos. En algn caso se admite una interrupcin temporal del servicio. b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseo, que tiene gran cantidad de slidos y material flotante. En zonas sujetas al Fenmeno de El Nio es mejor utilizar un Hidrograma de Diseo. c) Captar el mnimo de slidos y disponer de medios apropiados para su evacuacin. Muchas veces esta es la clave del diseo eficiente. d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista estructural y constructivo.

IV. CLCULOS Y RESULTADOS

V. CONCLUSIONES

Mediante la prctica realizada observamos la erosin que se presenta al representar una bocatoma en un sistema dimensional el que nos permite determinar que la erosin va en relacin directa con el caudal.

Mediante los monogramas de caudal y coeficiente de descarga se verific que lo determinado experimentalmente mediante el modelamiento es congruente a lo propuesto en dichos monogramas por el autor Sotelo.

El coeficiente de descarga determinado mediante el modelamiento es:

PARA EL MODELOCaudal0.004235 m3/s

C2.22

PARA EL PROTOTIPOCaudal1.41 l/s

C2.22