1. Resumen de Notas de Clases.
Ing. Teresa Velásquez Bejarano
Docente Principal del DRAT-FIA
Fuente.
“Applied Hydraulics”. P. Novak.
Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26.
“Desing of Small Canal Structures”. Bureau of Reclamation.
Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.
CURSO
Estructuras Hidráulicas I
(Parte 1)
DISEÑO DE BARRAJES EN RIOS
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA
Departamento de Recursos Hídricos
2. Caudal de Diseño:
Ventana de
CAPTACION.
Diseño según
DEMANDA de
USUARIOS.
Diseño de Muros
Ventana Periodo 1/50
o 1/100 años.
BARRAJE
Caudal de Diseño:
Avenidas, Período
de Retorno 1: 50 ó
1:100 años
MUROS
PROTECCION
TOMA
Diseño con
Avenidas, Período
de Retorno 1: 50 o
1:100 años
Sumergencia
Transicion
Vertedero de salida de desrripeador
Desrripeador
Salida del canal de LIMPIA y e
desrripeador
CANAL DE LIMPIA
Fuente.
“Applied Hydraulics”. P. Novak.
Pequeñas Obras Hidraulicas. Kraatz. FAO 26.
“Desing of Small Canal Structures”. Bureau of
Reclamation.
Diseño de Obras Hidraulicas. Krochin.
3. Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
DISEÑO DEL VERTEDERO DE DEMASIAS
BARRAJE
Caudal de Diseño:
Avenidas, Período
de Retorno 1: 50 ó
1:100 años
4. BARRAJES
• DEFINICION
Es una represa construida a través del río con
el objeto de elevar el nivel de agua, su altura
debe ser tal que permita una carga de agua
suficiente en la toma, para el ingreso seguro del
agua considerando las pérdidas de carga que
se producen en los muros, rejillas y compuertas
en la toma.
5. TIPOS DE BARRAJE
1.- BARRAJE FIJO
• Las bocatomas de barraje fijo son
aquellas que tienen una presa
solida, para levantar el tirante
frente a las compuertas de
captacion.
• Esta solucion es posible cuando
el regimen del rio es uniforme y la
capacidad de captacion de la
toma es menor que la descarga
promedio del rio, por lo que no es
necesario ninguna regulacion, ya
que el exceso de agua pasara
encima de la presa.
6. TIPOS DE BARRAJE
2.- BARRAJE MOVIL
• En este tipo de barraje se consigue la
retencion del caudal y elevacion del
tirante mediante el cierre del curso del
rio por un sistema de compuertas
sostenidas en un conjunto de pilares y
adosadas en sus extremos a los muros
de contencion.
• Es conveniente esta solucion cuando el
caudal de la captacion es igual o mayor
de la descarga promedio del rio o
cuando la velocidad de flujo no es alta
debido a la pequeña pendiente del
curso del rio . Como consecuencia el
transporte de solidos es pequeño y no
afecta mayormente al sistema de
compuertas.
• Las compuertas pueden ser RADIALES
o DESLIZANTES.
BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS
RADIALES
BARRAJE MOVIL CON COMPUERTAS
DESLIZANTES
7. • Tienen una parte de la presa integrada
por una estructura solida (Barraje fijo) y
una parte integrada por compuertas
sustentadas en pilares (Barraje movil).
La parte movil tiene en ciertos casos
muros guias o separadores del barraje
fijo que forma un canal denominado de
limpia y un segundo canal separado
por un vertedero de rebose lateral que
sirve para eliminar las gravas llamado
tambien desempedradores.
TIPOS DE BARRAJE
3.- BARRAJE MIXTO
9. ELEMENTOS PRINCIPALES DEL BARRAJE
Los elementos son: La presa propiamente dicha, La poza de Disipacion de
Energia o colchon de disipacion, El enrocamiento
PRESA
DERIVADORA
POZA DE DISIPACION DE
ENERGIA
PROTECCION DE
ENROCAMIENTO O MUROS
DE ENCAUZAMIENTO
10. LONGITUD DE
BARRAJE
Altunin
Cauces estables
Maza-Cruickshank
Cauces Arenosos
Blench
Canales de Riego, en tramos de río
con material fino
Petit
Cauce estable
Fs
FbQ
B
*
*81.1
S
Qa
B
5
1
*
QB *45.2
BLENCH
ALTUNIN
PETIT
B= Ancho de Encauzamiento (m)
Q= Caudal Maximo de Diseño (m3/seg)
Fb= Factor de fondo
Fs= Factor de orilla
A =Parámetro que caracteriza al cauce
S= Pendiente del Rio
11. ALTURA DEL BARRAJE
Altura del Barraje , Hb
Mediante la altura del Barraje se logra
elevar o mantener el nivel de agua en el rio
y derivar el caudal hacia el Bocal de
Captacion
Según Mansen y Rosell la altura del Barraje es:
Hb= P + Ps (Altura de Socavacion, Evaluar con
la profundidad de la Poza de disipacion)
P = ho ( Alfeizer mayor de 0.60 metros) +
hv ( Altura de la ventana de captación ) +
hf ( pérdidas de carga en la Toma en la entrada,
por rejas)
hf
Ps Profundidad de
socavacion, Ver Prof
Poza de Disipacion
CARGA SOBRE LA CRESTA DEL
BARRAJE
Qmax= Cd x L x ( Hd) 1.5
Qmax, Caudal Máximo en m3/seg
Cd, Coeficiente de escurrimiento
Según Novak, Cd=2.4
L, Longitud de Barraje en metros.
Hd, Carga sobre la cresta incl.
Altura de velocidad.
VELOCIDAD DE LLEGADA
p + He = y + Hv
p, Altura del Barraje en metros
He, Carga Total en metros, incl. Alt.vel.
y, Tirante aguas arriba del Barraje en metros
Hv, Energía de Velocidad (v2/ 2g)
Hd = He –Hv
Hd,Carga de diseño
excluyendo velocidad de Flujo
hv
ho
He
HV
12. En la practica no es usual considerar
la longitud Total de la Poza la poza
de disipacion para controlar el Salto
hidraulico. Esta inversion es
sumamente cara.
Se puede reforzar la salida aguas
debajo de la poza y generar el Salto
sumergido.
Calculo del Tirante Y1:
Eo = E1 + hf (perdidas)
Elo + P + Hdo + Hvo = El1 + y1+ Hv1+ hf
(perdidas)
Asumir Vo = 0, hf = 0.1 (v
cresta)2/2g, y1 > 0.1, Continuidad.
Calculo del Tirante Y2:
Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
LONGITUD Y PROFUNDIDAD DE LA POZA DE DISIPACION
DE ENERGIA
2
1
1
2 811
2
Fr
d
d
1
1
gy
V
Fr 125 yyLpoza
Para producir salto Hidraulico ahogado y2 < yn aguas
debajo de la Poza de disipacion.
No permitir que y2 > yn causa daños a la estructura, para
evitar este caso bajar el nivel del piso de la Poza (r).
r = y2 – yn, r profundidad del piso de la
Poza.
13. ALTURA DEL BARRAJE POR PROFUNDIDAD
DE SOCAVACION (Ps)
• La profundidad de socavación
que producirá la avenida
máxima de diseño define la
profundidad de cimentación de
las estructuras.
• Una de las expresiones
propuestas es la de Lischtvav –
Lebediev
Ps = ds – yo
Ps= Profundidad de socavación,
ds= Profundidad después de producirse la socavación,
yo= tirante Normal de agua,
B= Ancho efectivo en la sección,
u = Coeficiente por efecto de contracción de los estribos.
Dn= Diámetro medio de las partículas en mm,
ß = Coeficiente que toma en cuenta el período de retorno con que
se presenta el gasto de diseño.
x = Exponente que depende de Dm. en mm.
)1/(1
28.0
3/5
**68.0
*
X
Dn
yoa
ds
uByo
Q
a
**3/5
Hs Profundidad
de socavacion,
Ver Poza de
Disipacon
15. Dimensionamiento del barraje
Para lograr una buena Estabilidad se sugiere la Metodologia que presenta Gomez Navarro.
1.- Esquematice el barraje y calcule las fuerzas: PESO, HIDROSTATICA, SUBPRESIONES, SUELO
2.- Considerar :
B (Base inicial del Barraje)= Ht / (Ɣc – 1) 1/2
Ht Altura de la carga Total aguas arriba del Barraje (m).
Ɣc Peso Especifico del Concreto
3.-Calcular la ESTABILIDAD del Barraje
16. FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE
Sobre la base de los datos del U.S Bureau of
Reclamation , el U.S. Army Corps of Engineers , ha
desarrollado varias formas stándar de vertederos.
De alli que el perfil que se le da tiene la forma que
seguirá la cara inferior de un filete de agua al verter
sobre un vertedero, a fin de evitar la presencia de
presiones negativas que causen cavitaciones.
Es recomendable utilizar obras robustas ya que las
delgadas pueden ser dañadas facilmente.
El US Bureau recomienda la ecuacion siguiente:
Xn = K (Hd)n-1 Y
Donde :
X,Y : Coordenadas del perfil de la cresta con
el origen en el punto más alto de
la cresta.
Hd : Altura de diseño excluyendo la altura de
velocidad del flujo
aproximante. (mts.)
K,n : Son parámetros dependiendo de la
pendiente de la cara aguas
arriba. Los valores de K y n.
Hd = He –Hv
Hd,Carga de diseño
17. FORMA DE LA CRESTA DEL BARRAJE
Pendiente aguas K n
arriba
VERTICAL 2 1.85
3 a 1 1.936 1.836
3 a 2 1.939 1.81
3 a 3 1.873 1.776
Xn = K (Hd)n-1 Y
18. CURVA DE TRANSICION ENTRE EL VERTEDERO Y LA POZA DISIPADORA
• Con la finalidad de que el cambio de
dirección que originan las aguas al
pasar el vertedero a la poza de
disipación de energía no sea brusco
, usaremos como elemento de
transición una curva circular.
• Algunos autores recomiendan variar
R= 0.5 Hd a 2 Hd.
ß = Arc tang 1/ Z
T = R tang ß / 2
R = 0.5 Hd ó 2 Hd
19. La minima longitud necesaria para el conjunto BARRAJE – POZA DISIPACION, sera aquella que
contrarestre los efectos de la Subpresion y sifonamiento derivados de la infiltracion de las aguas.
El agua que se desplaza bajo el barraje arrastra material fino creando Tubificaciones.
Para este calcular la Longitud de la Poza y sus posibles protecciones proyectadas con dentellon o
zanjas de proteccion, Krochin considera la siguiente fórmula:
Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H
Donde :
Lh: Suma de longitudes horizontales
Lv: Suma de longitudes verticales
CL: Coeficiente de Lane que depende del material del rio.
LC: Distancia de ruptura compensada
H: Diferencia d Carga Hidraulica entre la Cresta del barraje y la terminal de la Poza de
disipacion ò diferencia de nivel de aguas arriba y aguas abajo.
LONGITUD DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA
20. VALORES DE COEFICIENTES DE LANE
• Krochin
Lc = ( 1 / 3 ) ∑ Lh + ∑ Lv > CL x H
Donde :
Lh: Suma de longitudes horizontales
Lv: Suma de longitudes verticales
CL: Coeficiente de Lane
LC: Distancia de ruptura compensada
de la sección transversal
H: Diferencia de carga hidrostática
21. Para resistir el efecto de la Subpresion es recomendable
que el colchon de la Poza de disipacion tenga un espesor
adecuado para soportar al empuje que ocasiona la
subpresion.
La formula que permite calcular el espesor mas
conveniente del solado es:
W > Sp
W Peso de la estructura (Tn)
Sp Subpresion Parcial (m)
Sr Subpresion Total (m)
Ɣc * A * e = Ɣ * A * Sp
Ɣc Peso Especifico del concreto (Ton/m3)
A Area de la base de la estructura (m2)
e Espesor de la loza
Ɣ Peso Especifico del agua (Ton/m3)
Ɣc * e = (4/3) * Ɣ * Sp
e = (4/3) * (Ɣ/ Ɣc) * Sp
Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
ESPESOR DE LA LOZA DE LA POZA DE DISIPACION DE ENERGIA
Recomendaciones :
El espesor debe de ser corregido por
seguridad debe de ser al menos 0.80 m.
22. El canal de Limpia es una estructura de
derivación que se proyecta al lado del barraje,
justamente aguas debajo del Bocal de
captación. El canal de Limpia lleva compuertas y
se mantiene cerradas en estiaje pasando hacia
el Bocal el flujo de agua.
En avenidas estas compuertas pueden estar
abiertas o cerradas dependiendo de la
operación proyectada a limpiar sedimentos que
se depositen en las cercanías .
La velocidad mínima que debe de tener el flujo
que pasa a través del canal de limpia es:
Vc= 1.5 * c * d 1/2
Vc = Velocidad para iniciar el arrastre (m/seg)
c = Coeficiente en funcion del tipo de material
d = Diametro del grano mayor
Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
CANAL DE LIMPIA
Tipo de material c
Arena y grava redondeada 3.2
Grava Cuadrada (rectangular) 3.9
Mezcla de arena y grava 3.5 a 4.5
23. La Pendiente del canal es:
Sc= n2 * g 10/9 / q 2/9
Sc = Pendiente Critica (%)
g = Aceleracion de la gravedad (m/seg2)
n = Coeficiente de Rugosidad de Manning
q = Caudal unitario (m3/seg/m)
Recomendaciones para diseñar el canal de
Limpia:
• El caudal a condiderar debe de ser al menos
DOS veces el caudal a derivar, maximo el
caudal medio del rio.
• Pendiente aproximada para el canal 0.01 a
0.02.
• El ancho de la zona de Limpia al menos Un
DECIMO de la Longitud del Barraje. Su
aplicación No es rigurosa, depende del
diseñador.
Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
CANAL DE LIMPIA
24. Gracias por su atencion.
Ing Teresa Velasquez Bejarano
tvelasquez@lamolina.edu.pe
velasquezbejarano@yahoo.es
Ing. Teresa Velasquez B.
Universidad Nacional
Agraria la Molina.
