Criteriosdediseño_estructuras_hidraulicas.pdf

TABLA DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS: ................................................................................................................................................... 2 RESUMEN ................................................................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................................... 6 CAPITULO 1: ASPECTOS GENERALES ........................................................................................................................... 7 1.1. SITUACIÓN ACTUAL DE LURICOCHA ........................................................................................................................ 7 1.2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ............................................................................................................................ 8 CAPITULO 2: OBJETIVOS ............................................................................................................................................. 9 2.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................................. 9 2.2. OBJETIVO ESPECIFICO.............................................................................................................................................. 9 2.3. BENEFICIARIOS ........................................................................................................................................................ 9 CAPITULO 3: MARCO TEORICO ..................................................................................................................................10 3.1. TEORÍA DE CUENCA ............................................................................................................................................... 10 3.2. PRECIPITACIONES .................................................................................................................................................. 13 3.3. EVAPOTRANSPIRACIÓN ......................................................................................................................................... 14 3.4. BALANCE HÍDRICO ................................................................................................................................................. 15 3.5. CAUDAL DE MAXIMAS AVENIDAS Y ANÁLISIS DE FRECUENCIAS HIDROLÓGICAS. ................................................. 16 3.6. CRITERIOS DE DISEÑO BOCATOMA ....................................................................................................................... 17 3.6.1. CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS ................................................................................................................. 18 3.6.2. CÁLCULOS HIDRÁULICOS ............................................................................................................................... 18 3.7. CRITERIOS DE DISEÑO DE DESARENADOR ............................................................................................................. 25 3.8. CRITERIO DE DISEÑO DE CANALES ......................................................................................................................... 37 3.9. CRITERIOS DE DISEÑO DE RÁPIDA.......................................................................................................................... 45 3.10. USO CONSUNTIVO ............................................................................................................................................... 48 CAPITULO 4: ESTUDIOS BÁSICOS ...............................................................................................................................51 4.1. INFORMACIÓN METEOROLÓGICA Y CLIMATOLÓGICA .......................................................................................... 51 4.2. INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CUENCA ...................................................................................................... 55 4.3. GENERACIÓN DE CAUDALES PARA LA CUENCA EN INTERES .................................................................................. 58 4.4. CALCULO DE EVAPOTRANSPIRACIÓN .................................................................................................................... 63 4.5. CALCULO DEL USO CONSUNTIVO .......................................................................................................................... 71 4.6. CALCULO DE CAUDAL DE MÁXIMAS AVENIDAS ..................................................................................................... 75 4.7. DISPONIBILIDAD HÍDRICA ACTUAL Y CON LA NUEVA PROPUESTA DE RIEGO ........................................................ 88 4.8. CALCULO DEL VOLUMEN DEL RESERVORIO....................................................................................................................... 94

CAPITULO 5: INGENIERÍA DEL PROYECTO. .................................................................................................................95 5.1. DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS HIDRAULICAS ........................................................................................................ 95 5.1.1. DISEÑO DE LA BOCATOMA TIPO TIROL ......................................................................................................... 95 5.1.2. DISEÑO DE DESARENADOR ......................................................................................................................... 102 5.1.3. DISEÑO DEL CANAL DE CONDUCCIÓN ......................................................................................................... 107 5.1.4. DISEÑO DE LA RAPIDA ................................................................................................................................. 109 5.1.5. DISEÑO DE TUBERIA DE CONDUCCIÓN ....................................................................................................... 117 5.2. ELECCIÓN Y PROPUESTA DEL SISTEMA DE RIEGO PARA EL PROYECTO ................................................................ 118 CAPITULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...............................................................................................125 BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................................................................127

INTRODUCCIÓN

La economía general del sector rural de la Sierra arrastra consigo el problema del aislamiento y la pobreza a comparación de otras localidades del Perú. La sierra peruana fue víctima y, a la vez, epicentro del terrorismo en la década de los años 80. El aumento de los conflictos y guerras que tuvo el terrorismo con las Fuerzas Armadas fue creciendo hasta a mediados de esa década. Lo cual tuvo un impacto considerable en el desarrollo de los pobladores y, peor aún, de los campesinos, los cuales tuvieron que abandonar sus tierras y negocios para encontrar refugio en las ciudades. Este abandono de las tierras de cultivo, fue la principal causa de atraso agrario que afecto al Perú. Del mismo modo, muchos proyectos tuvieron que ser abandonados o paralizados debido a la inseguridad que pasaba el norte de Ayacucho. Por ello, se dejó a este, sin muchas herramientas que le permitan tener una mejor competencia económica, como la tienen otros departamentos en nuestro País. Este trabajo de investigación está inspirado en las secuelas y atrasos que tiene el sector agrario en el Distrito de Luricocha de la Provincia de Huanta, Departamento de Ayacucho, el cual tiene como objetivo proponer un sistema de riego mediante el análisis de un estudio hidrológico y diseño de canales que permitan abastecer un proyecto de cultivo de palta en 100 Ha. De esta manera, se podrá dar una mejor herramienta de negocio y producción a las familias que se dedican a la agricultura, teniendo mejores accesos al agua, mejores precios y productos con los cuales puedan competir en un mercado más amplio como hay en otros países llevados de la mano de la exportación.

CAPITULO 1: ASPECTOS GENERALES

1.1. SITUACIÓN ACTUAL DE LURICOCHA El distrito de Luricocha está ubicado al norte de la provincia de Huanta, Departamento de Ayacucho, según el Senamhi se encuentra a una altura de 2564 msnm y en las coordenadas 12°54’03.60”S – 74°16’20.11”O. Figura N° 1: Ubicación del Distrito de Luricocha en la provicia de Huanta Departamento de Ayacucho

Fuente: Elaboración Propia Tiene una población de 5 089 habitantes (Censo 2007 INEI) con una densidad poblacional de 45 hab/km2, de los cuales un 73% es población básicamente rural. Luricocha es uno de los distritos con mayor biodiversidad y vegetación de la región, dado que se encuentra ubicado en la ceja de selva de nuestro país. Según los registros del Senamhi, este distrito

es un importante valle con un clima favorable y una temperatura que oscila entre 16°C y 26°C en gran parte de los meses del año.

1.2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La falta de acceso, que poseen los pobladores, al agua, la cual es la base fundamental de la actividad agrícola predominante en la zona, hace que el desarrollo de la agricultura sea muy incipiente, dado que no contiene los recursos para un desarrollo óptimo. Existe gran cantidad de cuencas y recursos hídricos que pueden ser muy bien aprovechados para un mejor beneficio económico y social. El área de influencia del proyecto involucra grandes zonas ricas en recursos de agua y suelos aptos para la agricultura, los cuales sin embargo, son mal aprovechados por los agricultores y los mismos pobladores de la zona, dado que pueden encontrar en ella una manera de generar oportunidades laborales y mejorar su economía. La localidad de Luricocha, al tener un buen suelo y condiciones climatológicas favorables para el cultivo de Palta, la cual tiene uno de los mejores rendimientos de producción, motiva a este estudio a realizar una programación de cultivo. Asimismo, este producto agrícola tiene gran presencia y aceptación en el mercado internacional. Por lo tanto, se tendría un crecimiento económico considerable para los pobladores de ser manejado correctamente el proyecto. En resumen, el principal problema que se observa en la zona de Luricocha es la baja producción en la actividad agrícola debido al suministro deficiente del agua.

CAPITULO 2: OBJETIVOS

En esta sección se detallarán nuestro objetivo general y los objetivos específicos.

2.1. OBJETIVO GENERAL Mediante el análisis de un estudio hidrológico estimar el caudal requerido y con este elaborar el diseño hidráulico de las obras de arte necesarias para abastecer un sistema de irrigación que proporcionará agua a 100 hectáreas de cultivo de palta en el distrito de Luricocha, Provincia de Huanta, Departamento de Ayacucho.

2.2. OBJETIVO ESPECIFICO •

Estimar el Caudal de Máximas Avenidas

•

Estimar los Caudales Medios Mensuales

•

Determinar el uso consuntivo del cultivo a producir.

•

Realizar un Balance Hídrico en condiciones Actuales y con el sistema a implementar

•

Estimar el Volumen de reservorio en épocas de Estiaje

•

Diseñar las obras de arte necesarias para abastecer la zona de cultivo.

•

Proponer el sistema de riego más adecuado para el abastecimiento del agua.

Proporcionar un elemento de consulta, para la estimación de caudal y diseño de obras de arte, dirigido a estudiantes y profesionales de la rama de Ingeniería Civil.

2.3. BENEFICIARIOS Este proyecto contempla beneficiar a la población del distrito de Luricocha, mediante la implementación de un eficiente sistema de riego que será abastecido por las obras de conducción que se diseñaran para dicho proyecto. Esta medida brindara la posibilidad de mejorar las condiciones de trabajo del sector agrícola de la zona en mención y aumentar los índices de productividad y eficiencia de los agricultores. Del mismo modo, reducirá sus costos de producción e impulsará el desarrollo del sector.

CAPITULO 3: MARCO TEORICO

3.1. TEORÍA DE CUENCA En esta primera sección se definirán todos los conceptos básicos para desarrollar este subcapítulo. CUENCA: Según el Ing. German Monsalve, el define como cuenca “Al área definida topográficamente, drenada por un curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, de modo que el caudal efluente es descargado a través de una salida” 1. Por otro lado, cabe resaltar que existen dos modelos para definir una cuenca. El primero es el modelo simple (ideal) el cual considera una superficie plana cerrada en la cual toda la precipitación se convierte en el caudal, el cual se descarga en un solo punto y el modelo practico, el cual es usado para realizar el balance hídrico ya que considera los fenómenos de precipitación, escorrentía, evaporación, evapotranspiración, infiltración, entre otros que serán explicados a mayor detalle más adelante. Figura 2:Modelo del sistema hidrológico simple

Fuente: Hidrología en la ingeniería de German Monsalve

1

Cfr. Monsalve 1995 :35

Figura 3:Modelo del sistema hidrológico Real

Fuente: Hidrología en la ingeniería de German Monsalve 1. DIVISORIAS: Se definen como aquellas líneas que cumplen la función de separar y delimitar las precipitaciones que caen en cuencas vecinas. Existen dos tipos de divisorias, la primera es la topográfica o superficial y la otra es la freática o subterránea. Para el presente trabajo se usará las divisorias topográficas mediante los métodos que se explicarán más adelante. 2 Figura 4:Corte trasversal de una cuenca hidrográfica

Fuente: Hidrología en la ingeniería de German Monsalve

2

Cfr. Monsalve 1995 :35

2. ÁREA DE DRENAJE (A) Es la superficie en Km2 (proyección horizontal) que delimitan las divisorias topográficas (Monsalve 1995:37) 3. FACTOR DE FORMA DE LA CUENCA Es la relación entre el ancho medio de la cuenca y la longitud promedio del cauce principal. El ancho medio se obtiene dividiendo el área de la cuenca por la longitud del cauce principal. 3 Figura 5: Relación entre el ancho promedio de la cuenca y la longitud del cause

Fuente: Elaboración propia NOTA: Una cuenca con factor de forma bajo esta menos sujeta a crecientes que otra del mismo tamaño pero con mayor factor de forma. 4. ÍNDICE DE GRAVELIUS O COEFICIENTE DE COMPACIDAD (KC) Se define a la relación entre el perímetro de la cuenca y la longitud de la circunferencia de un círculo de área igual a la de la cuenca. 4 𝐾𝐾𝐶𝐶 = 0.282 3

Cfr. Monsalve 1995 :37

4

Cfr. Monsalve 1995 :37

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

√𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

NOTA: Cuanto más irregular sea la cuenca mayor será su coeficiente de compacidad. Una cuenca circular posee el coeficiente mínimo, igual a uno. Hay mayor tendencia a las crecientes en la medida que Kc sea próximo a la unidad. 5. ORDEN DE LAS CORRIENTES DE AGUA Refleja el grado de ramificación o bifurcación dentro de una cuenca. (Monsalve 1995:38) Figura 6: Clasificación de corrientes de agua.

Fuente: Hidrología en la ingeniería de German Monsalve 6. DENSIDAD DE DRENAJE (D D ) Es la relación entre la longitud total de los cursos de agua de la cuenca y su área total. 5 D d = L/A En donde: L:

longitud total de las corrientes de agua, en km

A: área total de la cuenca, en km2

3.2. PRECIPITACIONES Se denomina hidrometeoro a cualquier producto formado por la condensación del vapor atmosférico ya sea en el aire o en la superficie de la tierra. El término de precipitación engloba a todos aquellos hidrometeoros que caen en forma de llovizna, lluvia, nieve granizo, etc. 6

5

Cfr. Monsalve 1995 :39

Los factores determinantes de la precipitación en cualquiera de sus formas (lluvia, nieve, granizo, escarcha o rocío), son la humedad atmosférica y la temperatura de condensación. Ahora bien, la humedad atmosférica depende, a su vez, de la evaporación en la superficie del agua de océanos, mares, lagos, lagunas, ríos, arroyos y de los suelos húmedos, así como de la evapotranspiración de plantas y animales. La evaporación ocurre en todos los cuerpos de agua y es función de la diferencia entre la temperatura en la superficie del agua y de la atmósfera producida por el calentamiento debido a la radiación solar en las diversas latitudes principalmente en las comprendidas entre los Trópicos de Cáncer (23° 27' N) y Capricornio (23° 27' S), faja situada inmediatamente al norte y sur del ecuador terrestre. 7 Por otro lado, la unidad de medida más usada para calcular el fenómeno de la precipitación es el milímetro y se expresa diariamente, mensualmente, anualmente, etc. La pluviometría es la actividad encargada de medir las precipitaciones, sean estas en forma líquida o sólida, se parte de la concepción de que la lluvia se reparte uniformemente sobre una superficie plana y se mide en espesor de lámina. Los principales instrumentos de medida son los siguientes: Pluviómetro, Pluviómetro totalizador, Pluviógrafo, Estaciones Meteorológicas, Satélite. Para este trabajo, se cuenta con información de las estaciones Huanta – Con Código Senamhi N° 000660 y la estación Luricocha – Con Código Senamhi N° 156209, las cuales están a 3.5 km y 11.5 km respectivamente de la cuenca del proyecto. Ambas estaciones, son monitoreadas por el servicio nacional

de Meteorología e Hidrología del Perú. (Senamhi). Por otro lado, también se tiene

registros de precipitación de la zona que se desarrolló en el proyecto de afianzamiento hídrico de Huanta - Luricocha realizado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales.

3.3. EVAPOTRANSPIRACIÓN Dentro de los fenómenos a considerar en el balance hídrico, la evapotranspiración es el que de una manera directa considera el efecto del intercambio de agua (respiración y transpiración) de los seres vivos, principalmente las plantas.8

6

Cfr. Breña Puyol 2015:16

7

Cfr. Breña Puyol 2015:5

8

Cfr. Monsalve 1995: 150

Podemos definir a la evapotranspiración como el proceso de transferencia de agua a la atmósfera tanto por acción de las plantas como por evaporación directa a partir del suelo. 9 Se tiene una diversidad de métodos para estimar la evapotranspiración, la selección y aplicación de uno u otro método está en

función directa de la disponibilidad de recursos, información

meteorológica y urgencia de la información. Para este trabajo se toma en consideración el método teórico de Thorntwaite, el cual considera como principal variable la temperatura media mensual y la longitud de un día. Mediante estos parámetros propuso la siguiente formula. 10 EVP = 𝟏𝟏𝟏𝟏 (

𝟏𝟏𝟏𝟏∗𝑻𝑻 𝒏𝒏 ) 𝑰𝑰𝑰𝑰

EVP: evapotranspiración potencial mensual, en mm por mes de 30 días de 12 horas de duración. T: temperatura media mensual, en ˚C, en el mes considerado. 𝑇𝑇

𝐼𝐼𝑖𝑖 = (5)1.514 índice térmico mensual 𝐼𝐼𝑎𝑎 = ∑ 𝐼𝐼𝑖𝑖 índice térmico anual

n = 0.016 𝐼𝐼𝑎𝑎 + 0.5 formula simplificada de Serra

Por otro lado, también se estimó la EVP 11 mediante el método de Penman-Monteih modelado en el

software CROPWAT. Para luego ser comparados con la data que proporciona el atlas de Evapotranspiraciones y obtener de este modo resultados con un mayor grado de confiabilidad.

3.4. BALANCE HÍDRICO La definición de balance hídrico se deriva del concepto de balance de materia, es decir, que es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan a un sistema y los que salen del mismo, en un intervalo de tiempo.

9

Cfr. Monsalve 1995: 150

10

Cfr. Monsalve 1995: 166

11

Evp: Evapotranspiración Potencial

Para la determinación del balance hídrico se debe hacer referencia al sistema analizado. Estos sistemas pueden ser, entre otros: Una cuenca hidrográfica, Un embalse, Un lago natural. Las entradas de agua a la cuenca hidrográfica pueden darse de las siguientes formas: •

Precipitaciones: lluvia; nieve; granizo; condensaciones;

•

Aporte de aguas subterráneas

•

Transvase de agua desde otras cuencas

•

Las salidas de agua pueden darse de las siguientes formas:

•

Evapotranspiración: de bosques y áreas cultivadas con o sin riego;

•

Evaporación desde superficies líquidas, como lagos, estanques, pantanos, etc.;

•

Infiltraciones profundas que van a alimentar acuíferos;

•

Derivaciones hacia otras cuencas hidrográficas;

•

Derivaciones para consumo humano y en la industria;

•

Salida de la cuenca, hacia un receptor o hacia el mar

3.5. CAUDAL DE MAXIMAS AVENIDAS Y ANÁLISIS DE FRECUENCIAS HIDROLÓGICAS. Dado que la planeación y el diseño se refieren a eventos del futuro cuyo tiempo de ocurrencia o magnitud no pueden predecirse, debemos recurrir al estudio de la probabilidad o frecuencia con la cual un determinado caudal o volumen de flujo puede ser igualado o excedido. La selección del nivel de probabilidad apropiado para un diseño, es decir, el riesgo que se considera aceptable, depende de condiciones económicas y políticas; ya que alternativa de diseñar contra el peor evento posible que pueda ocurrir, es generalmente tan costosa que se puede justificar solamente cuando las consecuencias de una falla son especialmente graves. 12 Linsley afirma que para que un análisis probabilístico produzca resultados útiles y confiables, este debe comenzar con una serie de datos significativos, adecuados y precisos. 13

12

Cfr. Linsley 1975: 281

13

Cfr. Linsley 1975: 281

Esto significa que cuando decimos que la serie de datos o muestra tomada en campo es significativa, implica que deben estar relacionados estrechamente con el problema. Para nuestro caso como queremos obtener el caudal de máximas avenidas para un tiempo de retorno dado, los estudios de crecientes que se realicen deben estar relacionados con caudales picos. Según Linsley, debido a que la longitud de los registros es normalmente corta no es posible determinar la distribución de frecuencias más apropiada para ser usada al analizar las probabilidades asociadas con crecientes.

14

No obstante, varios autores han sugerido varias distribuciones, esgrimiendo como prueba a su favor la habilidad de estas distribuciones para ajustarse a los datos de uno o varios ríos. Linsley afirma que a pesar de que se han dedicado grandes esfuerzos para definir la mejor distribución para crecientes, no existe una distribución claramente superior. Intuitivamente no existe razón alguna para que una distribución única sirva para todos los ríos 15. Sin embargo, las distribuciones log-Pearson Tipo IlI y la asintótica de los valores extremos, comúnmente llamada la distribución de Gumbell, han sido las que mayor aceptación han tenido para el cálculo de este tipo de eventos. Es por ello que adicionalmente a estas distribuciones se considerara también la distribución Log - Normal y la Pearson Tipo III, esto con el fin de poder obtener la mayor cantidad de datos confiables para poder estimar el caudal de máximas avenidas.

3.6. CRITERIOS DE DISEÑO BOCATOMA Las obras de Bocatoma para canales son dispositivos hidráulicos construidos en la cabecera de un canal de riego. La finalidad de estos dispositivos es derivar y regular el agua procedente del canal principal, a los laterales o de éstos a los sublaterales y de éstos últimos a los ramales. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas. Para obtener una medición exacta del caudal a derivar, éstas tomas se diseñan dobles, es decir, se utilizan dos baterías de compuerta; la primera denominada compuerta de orificio y la segunda compuerta de toma y entre ellas un espacio que actúa como cámara de regulación. 16

14

Cfr. Linsley 1975: 282

15

Cfr. Linsley 1975: 283

16

Cfr. Máximo Villón 2005: 169

3.6.1. CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura. Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variable dependiendo del caso específico, por ejemplo, cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura, se puede fijar una longitud de 5 m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operación. 17 Figura N° 7 Toma con doble compuerta

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 170

3.6.2. CÁLCULOS HIDRÁULICOS ECUACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA TOTAL (ΔH) Aplicando la ecuación de Bernoulli en las secciones 1 (entrada al conducto), y 2 (salida), y considerando como nivel de referencia al eje del conducto (Figura N° 8), se tiene: Figura N° 8 Bocatoma Lateral

17

Cfr. Máximo Villón 2005: 170

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 172

Nota: Ya que V1 = 0 (esto debido a que la velocidad en el canal es perpendicular a la dirección de flujo en la alcantarilla), se tiene:

De la Figura N° 8: Δh = H1 - H2

Dónde: Δh = carga total, diferencia de altura entre la superficie libre de agua en el canal principal y el canal lateral V22 2g

= carga de velocidad en el conducto (tubería)

∑1-2 = Sumatoria de pérdidas entre los puntos 1y 2

En la sumatoria de pérdidas se tienen que considerar; pérdida de carga por entrada (He), pérdida de carga por fricción (Hf) y pérdida de carga por salida (Hs), siendo esta última despreciable, es decir se tiene: ∑1-2 = He + Hf Las pérdidas por entrada se cálculan con la siguiente relación:

Dónde: He = pérdidas por entrada V2 = velocidad en la tubería Ke = coeficiente que depende de la forma de entrada Tabla N° 1 Coeficiente que depende de la forma de entrada

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 174 Las pérdidas por fricción se calculan con la ecuación: Hf = Se*L Dónde: Hf = pérdida por fricción

L = longitud de la tubería Se = pendiente de la línea de energía La ecuación de Manning establece que:

De donde se despeja la ecuación siguiente:

Para el caso de una tubería que trabaja llena, se tiene:

Luego, la pendiente de la línea de energía, se expresa:

Entonces, las pérdidas por fricción, será:

Ordenando los factores en forma adecuada, se tiene:

Sustituyendo en la ecuación inicial de pérdidas

Reemplazando en la ecuación inicial de Bernoulli

Además, considerando una tubería de concreto con n = 0.015 y que existe entrada con arista en ángulo recto, es decir, Ke = 0.5, se tiene:

VELOCIDAD EN EL CONDUCTO (V2) Según el Bureau of Reclamation, la velocidad en el conducto no debe superar a 1.07 m/s

DIÁMETRO (D) Y ÁREA (A) DEL CONDUCTO Aplicando la ecuación de continuidad:

Para los cálculos, con el dato de Q y suponiendo v = 1.07 m/s, de la ecuación (10.7) se encuentra A, con la ecuación (10.8) se determina D, este valor se redondea de acuerdo al diámetro superior inmediato que ofrecen los fabricantes. Con este valor se recalcula A y posteriormente V. SUMERGENCIA A LA ENTRADA (SME) Puede usarse cualquiera de los siguientes criterios: Sme =D Sme = 1.78 hv + 0.0762 SUMERGENCIA A LA SALIDA (SMS) Sms = 0.0762 ANCHO DE LA CAJA DE ENTRADA A LA TOMA (B) B = D + 0.305 CARGA EN LA CAJA (H) Se calcula como un vertedero de pared delgada

CALCULAR COTAS

Figura N° 9 Partes de Una Bocatoma

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 174 SLAC = cota fondo del canal + Y1 Cota A = SLAC - h Cota B = SLAC - Sme - D Cota B' = cota B + D Cota C = cota B - 4 pulg. = cota B - 0.1016m SLAL = SLAC - L\h Cota D = SLAL - Sms - D Cota E = SLAL - Y2 CALCULAR LA LONGITUD DE SALIDA. L min = 1.525 m (S') De acuerdo a Hinds

Dónde: T = espejo de agua en el canal D = diámetro de la tubería

3.7. CRITERIOS DE DISEÑO DE DESARENADOR El Desarenador es la obra hidráulica encargada, básicamente, separar o decantar todo tipo de material con composición sólida que se deriva hacia un canal, dado que todo tipo de material del tipo sólido daña las obras hidráulicas de conducción, tal es el caso de los canales. (Máximo Villón 2005: 97) Por otro lado sin un desarenador gran parte del material sólido va depositándose en el fondo de los canales disminuyendo su sección. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio del canal. 18 Si los canales sirven a plantas hidroeléctricas, la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastándolas tanto más rápidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminución del rendimiento y a veces exige reposiciones frecuentes y costosas. 19 CLASES DE DESARENADORES En función de su operación -

Desarenadores de lavado continuo, es sedimentación y evacuación:

Es aquel en el que la dos operaciones sedimentación y evacuación son simultáneas. (Máximo Villón 2005: 98) -

Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente):

Aquel que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. (Máximo Villón 2005: 98) En función de la velocidad de escurrimiento (Máximo Villón 2005: 98) De baja velocidad Vel. < 1 m/s (0.20 - 0.60 m/s). De alta velocidad Vel. > 1m/s (1.0 - 1.5 m/s) Por la disposición de los Desarenadores

18

Cfr. Máximo Villón 2005: 98

19

Cfr. Máximo Villón 2005: 98

En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado. (Máximo Villón 2005: 98) DESARENADORES DE LAVADO INTERMITENTE Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas de agua. FASES DEL DESARENAMIENTO Fase de sedimentación Fase de purga (evacuación) Figura N° 10 Esquema de un desarenador de lavado intermitente.

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 99 ELEMENTOS DE UN DESARENADOR Para cumplir su función, el desarenador se compone de los siguientes elementos: Transición de entrada: la cual une el canal con el desarenador.

Cámara de sedimentación: en la cual las partículas sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. (Máximo Villón 2005: 98) Tabla N° 2 Velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son:

Material

Velocidad Min.

arcilla

0.08 m/s

arena fina

0.16 m/s

arena gruesa

0.22 m/s

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 100 De acuerdo a lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal. La primera simplifica considerablemente la construcción, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presión de la tierra exterior y se diseñan por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. Con el objetivo de facilitar el lavado, concentrando las partículas hacia el centro, conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 al 1:8. 20 Vertedero: Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s. 21

20

Cfr. Máximo Villón 2005: 100

21

Cfr. Máximo Villón 2005: 101

De la ecuación de Francis para de un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene: (Máximo Villón 2005: 101)

Dónde: Q= caudal (m3/s) C= 1.84 (para vertederos de cresta aguda) C= 2.0 (para vertederos de perfil Creager) L= longitud de la cresta (m) h = carga sobre el vertedero (m Siendo el área hidráulica sobre vertedero: A= L*h La velocidad, por la ecuación de continuidad, será:

Y la carga sobre el vertedero:

De donde para los valores indicados de V y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar de 25 cm. Compuerta de Lavado: sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte

del 2 al 6 %. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. 22 Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencia. Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s 23 Canal Directo: por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo. En el caso de ser el desarenador de dos o más cámaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cámaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava. CÁLCULOS HIDRÁULICOS CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LAS PARTÍCULAS A SEDIMENTAR Los Desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula, es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepta hasta un diámetro de 0.5 mm. 24 En sistemas hidroeléctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura de caída o en función del tipo de turbina. (Máximo Villón 2005: 104) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO “Ve” EN EL TANQUE

22

Cfr. Máximo Villón 2005: 102

23

Cfr. Máximo Villón 2005: 102

24

Cfr. Máximo Villón 2005: 104

La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizarse utilizando la fórmula de Campo. 25 Ve = a* √𝒅𝒅 (cm/s)

d = diámetro (mm) a = constante en función del diámetro Tabla N° 3 Valores del Coeficiente “a” en función de diámetro de la partícula

a

D (mm)

51

< 0.10

44

0.1 – 1.0

36

> 1.0

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 104 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CAÍDA W Para este caso, utilizaremos una tabla empírica realizada por Arkhangelski (1935), la cual otorga una velocidad de caída en función del diámetro de las partículas

25

Cfr. Máximo Villón 2005: 104

Tabla N° 4 Velocidades de Sedimentación w calculado por Arkhangelski (1935) en función del diámetro de partículas

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 107 Y también se comparó con la fórmula de Scotti -Foglieni (We) We = 3.8 √𝒅𝒅 +8.3 d Dónde:

We = velocidad de sedimentación (m/s) d = diámetro de la partícula (m) CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación, se pueden plantear las siguientes relaciones: Q Caudal = b. h. v

Figura N°11 Esquema de las Dimensiones del Desarenador

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 107 Donde Q: Caudal B: Ancho del Tanque H: Altura L: Longitud de Desarenador V: Velocidad de Flujo We: Velocidad de Sedimentación Tiempo de caída: We = H / t Tiempo de sedimentación: V=L/t Por lo tanto H/We = L / V De donde la longitud, aplicando la teoría de simple sedimentación es: L = Hv/ We

Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia Con el agua en movimiento la velocidad de sedimentación es menor, e igual a w – w’; donde w’ es la reducción de velocidad por efectos de la turbulencia. Considerando el ese decremento en la velocidad de sedimentación la longitud del vertedero quedaría de la siguiente manera. L = H*v/ (We – W') Hay varios métodos para poder estimar el valor de We’, a continuación se mencionará los más usados. Eghiazaroff, expresó la reducción de velocidad como:

Levin, relacionó esta reducción con la velocidad de flujo con un coeficiente: W' = α.V m/s Bestelli et al, consideran:

Donde h se expresa en “m”. En el cálculo de los Desarenadores de bajas velocidades se puede realizar una corrección, mediante el coeficiente K, que varía de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

Donde K se obtiene de la Tabla N°5 de Coeficiente para el cálculo de Desarenadores de baja velocidad. Tabla N° 5 Coeficiente para el cálculo de Desarenadores de baja velocidad en función de la velocidad del flujo

Velocidad de escurrimiento (m/s)

K

0.20

1.25

0.30

1.50

0.50

2.00

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 111 El largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a más bajo costo que las profundidades, en el diseño se deberá adoptar la mínima profundidad práctica, la cual para velocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICIÓN La transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:

L = Longitud de la transición T1 = Espejo de agua del desarenador T2 = Espejo de agua en el canal CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO (L) Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a V = 1m/s y como se indicó anteriormente, esta velocidad pone un límite al valor máximo de la carga h sobre el vertedero, el cual es de 0.25 m. 26

26

Cfr. Máximo Villón 2005: 114

Para un h = 0.25 m, C= 2 (para un perfil Creager) o C= 1.84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es:

Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador b, por lo que se debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta la compuerta de lavado, como se muestra en la figura 6.2 Figura N° 12 Esquema del tanque del desarenador

Fuente: Obras Hidráulicos - Máximo Villón Pág. 115 CÁLCULO DEL ÁNGULO CENTRAL α.

De la Figura N° se toma el triángulo AOB

Dónde:

Reemplazando:

Como en la ecuación L y B son conocidos, el segundo miembro es una constante

Finalmente la ecuación queda de la siguiente manera

El valor de a se encuentra resolviendo por tanteos la ecuación CÁLCULO DE R Una vez calculada α, R se calcula utilizando la ecuación: R= 180L / πa Cálculo de la longitud de la proyección longitudinal del vertedero (L1) Tomando el triángulo OAB, se tiene: L1 = RSenα Cálculo de la longitud promedio (Ḹ) Ḹ = L1 + L / 2 Cálculo de la longitud total del tanque desarenador LT = L1 + L + Ḹ LT = longitud total L1 = longitud de la transición de entrada L = longitud del tanque

Ḹ = longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero

3.8. CRITERIO DE DISEÑO DE CANALES Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera. Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre). Dentro de estos últimos, pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).27 La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y varía de un lugar a otro. Los canales artificiales, usualmente se diseñan con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes: Secciones cerradas Sección circular y sección de herradura. Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes. (Máximo Villón 2007: 16) Figura N° 13 Sección Transversal Cerrada

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 17 Secciones abiertas Sección trapezoidal. Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos. (Máximo Villón 2007: 16)

27

Cfr. Máximo Villón 2007: 15

Sección rectangular. Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos. (Máximo Villón 2007: 16) Sección triangular. Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo, por ejemplo los surcos. (Máximo Villón 2007: 16) Sección parabólica. Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. (Máximo Villón 2007: 16) Figura N° 14 Sección Transversal Abierta

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 17

ELEMENTOS DE UN CANAL y = tirante de agua, es la profundidad máxima del agua en el canal b = ancho de solera, ancho de plantilla, o plantilla, es el ancho de la base de un canal T = espejo de agua, es el ancho de la superficie libre del agua

C = ancho de corona H = profundidad total del canal H-y= bordo libre Ɵ = ángulo de inclinación de la paredes laterales con la horizontal Z = talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1 Figura N° 15 Sección transversal de un canal Abierto

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 18 A = área hidráulica, es la superficie ocupada por el líquido en una sección transversal normal cualquiera Figura N° 16 Sección transversal de un canal Abierto

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 19

Figura N° 17 Sección transversal de un canal Abierto

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 19 p = perímetro mojado, es la parte del contorno del conducto que está en contacto con el líquido R = radio hidráulico, es la dimensión característica de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías, se obtiene de la siguiente relación: R=A/P Radios mínimos en canales: En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo. Tabla N° 6 Tabla de radios mínimos en función al caudal

Fuente: Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos – ANA (2010)

Tabla N° 7 Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua

Fuente: Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos – ANA (2010) RELACIONES

GEOMÉTRICAS

DE

LAS

SECCIONES

TRANSVERSALES

MÁS

FRECUENTES A continuación se determinan las relaciones geométricas correspondientes al área hidráulica (A), perímetro mojado (p), espejo de agua (T) y radio hidráulico (R), de las secciones transversales más frecuentes. SECCIONES TRAPEZOIDALES Figura N° 18 Sección transversal de un canal Abierto

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 20

Sección Hidráulica Óptima Según el ANA (2010) se considera un canal realizado bajo criterios de máxima eficiencia cuando se cumple lo siguiente: “Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal posible, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo”.28 La ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es

Dónde: θ el ángulo que forma el talud con la horizontal b plantilla del canal y tirante o altura de agua. DISEÑO DE SECCIONES HIDRÁULICAS Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc. La ecuación más utilizada es la de Manning. La expresión de la ecuación de Manning es la siguiente:

28

Cfr. Máximo Villón 2007: 91

Donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Área (m2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, los cuales tendrán en cuenta: el caudal a conducir, factores geométricos e hidráulicos de la sección, topografía, climatología, etc. Si se tiene en cuenta todos estos factores, se llegará a una solución técnica y económica más conveniente. Con respecto a la rugosidad está en función del material usado. Estos valores son los denominados “n” para la fórmula de Manning29 Tabla N° 8 Tabla de valores de “n” para las distintas Rugosidades en canales

Fuente: Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos – ANA (2010) El Talud apropiado según el tipo de material:

La Autoridad Nacional del agua (ANA)

recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material:

29

Cfr. Máximo Villón 2007: 91

Tabla N° 9 Tabla de Taludes apropiados para distintos tipos de material

Fuente: Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos – ANA (2010) Velocidades máximas y mínima permisible: La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra. El valor de 0.8 m/s se considera como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. 30 Para el caso de las velocidades máximas se utiliza la siguiente tabla: Tabla N° 10 Tabla de máxima velocidad permitida en canales

Fuente: Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos – ANA (2010)

30

Cfr. Manual de criterios de diseños de obras hidráulicas ANA 2010

Borde libre: Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua; La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula:

Dónde: C es 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y es el tirante del canal en pies.

3.9. CRITERIOS DE DISEÑO DE RÁPIDA Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditado a un estudio económico comparativo.31 ELEMENTOS DE UNA RÁPIDA Figura N° 19 Plano en planta de una Rápida

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 42

31

Cfr. Máximo Villón 2007: 41

Figura N° 20 Elementos de una Rápida

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 42 Transición de entrada: une por medio de 'm estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. 32 Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico. 33 Canal de la rápida: es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectangular o trapezoidal. 34 Trayectoria: es la curva vertical parabólica que une la última pendiente de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará limitándose así la capacidad de

32

Cfr. Máximo Villón 2007: 42

33

Cfr. Máximo Villón 2007: 43

34

Cfr. Máximo Villón 2007: 43

conducción del canal, por lo que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal. 35 Tanque amortiguador: colchón disipador o poza de disipación: es la depresión de profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción del resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria. Transición de salida: tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo. (Máximo Villón 2007: 43) Zona de protección: con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostería. (Máximo Villón 2007: 43) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Transiciones, la parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Se diseña para prevenir la formación de ondas. Un cambio brusco de sección sea convergente o divergente, puede producir ondas que podrían causar perturbaciones. Sección de control, es el punto donde se inicia la rápida y se regula por dos razones: Prevenir descenso del nivel de agua y por ende prevenir el incremento de erosión aguas arriba de la sección de control. Para mantener el nivel del agua, aguas arriba de la sección de control durante flujos bajos. La sección de control puede ser: una sección donde se produzca flujo crítico, un vertedero de cresta ancha sin contracción ó, un vertedero de cresta aguda sin contracción. EL ancho de la sección de control es usualmente la misma que la del colchón disipador. La entrada usada deberá ser simétrica respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea suspendida.

35

Cfr. Máximo Villón 2007: 43

Si las pérdidas de carga a través de la entrada son pequeñas se pueden despreciar. De otra manera, las pérdidas a través de la entrada deberían ser calculadas y usadas en la determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. El tramo inclinado es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria, puede ser un tubo o una sección abierta. De acuerdo a la configuración del terreno puede tener una o varias pendientes. La sección usual para una rápida abierta es rectangular, cuando sea necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones para mantener la estructura dentro de la cimentación. Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rápida, se puede usar el Método de Tramos Fijos u otros métodos que permitan determinar el perfil de flujo. Para rápidas menores de 9m de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta será igual al máximo tirante calculado en la sección, más un borde libre, ó a 0.4 veces el tirante critico en el tramo inclinado, más el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos (hasta 2.8 nr/s) es 0.30 m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que está siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.

3.10. USO CONSUNTIVO El uso consuntivo puede definirse como la cantidad de agua que consumen las plantas para germinar, crecer y producir económicamente, y cuantitativamente es un concepto equivalente al de evapotranspiración. Los principales componentes del uso consuntivo del agua son la transpiración y la evaporación.

36

El cálculo del uso consuntivo es importante pues así asegura el volumen necesario para obtener niveles óptimos de productividad. La siguiente ecuación expresa el valor del uso consuntivo:

36

Cfr. Garay Canales 2009:6

𝑼𝑼𝑼𝑼 = 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 = 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 ∗ 𝑲𝑲𝑲𝑲

UC

=

Uso consuntivo (mm)

ETR

=

Evapotranspiración real (mm/día)

Evp

=

Evapotranspiración potencial que se define como el volumen de agua perdida en una

zona con vegetación que sombrea la mayor parte del suelo y al cual no le falta agua, es decir, tiene un abastecimiento permanente. (mm) Kc

=

Coeficiente de uso consuntivo

Los factores fundamentales que influyen en el uso consuntivo del agua son: Clima: representado por la temperatura, humedad relativa, vientos, latitud, luminosidad, precipitación, etc. Cultivo: representado por la especie vegetal, variedad, ciclo vegetativo, hábitos radiculares, etc. Suelo: representado por la textura, profundidad del nivel freático, capacidad de retención de humedad, etc. Agua de riego: en cuanto a su calidad, disponibilidad, prácticas de riego, nivel de la misma con respecto a la superficie, etc. Por otro lado, otro factor importante que se debe tomar en consideración para estimar el volumen de agua que se requiere para garantizar la cosecha es el porcentaje de eficiencia que va tener tu sistema de riego, pues este te va indicar cuanto volumen adicional vas a tener que considerar por las pérdidas que se puedan generar durante el ciclo de riego.37 Por ello, a continuación se presenta los porcentajes de eficiencia para riego que obtuvo el Ing. Alejandro Valenzuela para el Departamento de Riego y Drenaje de la Facultad Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción en Chile.

37

Cfr. Valenzuela 1997: 15

Tabla Nº 11 Eficiencia de riego utilizado para los métodos de riego

Fuente: Estudio comparativo de eficiencia de riego elaborado por el Departamento de Riego y Drenaje de la Facultad Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción en Chile – Pág. 10

CAPITULO 4: ESTUDIOS BÁSICOS

4.1. INFORMACIÓN METEOROLÓGICA Y CLIMATOLÓGICA

Para este trabajo, se cuenta con información de las estaciones Huanta – Con Código Senamhi N° 000660 y la estación Luricocha – Con Código Senamhi N° 156209, las cuales están a 3.5 km y 11.5 km respectivamente de la cuenca del proyecto. Ambas estaciones, son monitoreadas por el servicio nacional

de Meteorología e Hidrología del Perú. (Senamhi). Por otro lado, también se tiene

información meteorológica del proyecto de afianzamiento hídrico de Huanta - Luricocha realizado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales, los cuales datan del año 1964 a 1993 Para tener una referencia de lo antes mencionado, se adjunta a continuación un mapa de la ubicación de las estaciones meteorológicas consideradas en este proyecto y la ubicación de la cuenca delimitada. Tabla N° 12 Información Geográfica de las Estaciones Meteorológicas consideradas en el Proyecto Estación

Código

Meteorológica

Senamhi

Luricocha Huanta

Longitud

Latitud

Altitud

N° 156209

8583382.22

583426.87

2580

N° 000660

8569123.93

582748.01

2628

Fuente: Página Web Oficial del Senamhi

Figura N° 21 Plano de La Ubicación de la Cuenca y Las estaciones Meteorológicas Huanta y Luricocha

Fuente: Elaboración Propia con Ayuda del Programa Google Earth y Arc Map

A continuación se presentara el registro histórico de precipitaciones de la estación de Pampa Cangallo, extraído del proyecto de afianzamiento hídrico elaborado el año 2008 Tabla N° 13 Registro de Precipitaciones Mensuales Totales tomados del Proyecto de afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha (del año 1964 a 1993) de la estación Pampa Cangallo

Fuente: Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha Elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA)

Con la información que proporcionó el Senamhi (Ver Registro de datos en la Sección 8.3.1), se pudo estimar la precipitación mensual total para el año 2014, la cual se muestra en la siguiente tabla. Tabla N° 14 Precipitaciones Mensuales Totales Registradas en la Estación de Luricocha en el Año 2014 Mes

Pe (mm)

Enero

123.50

Febrero

91.40

Marzo

65.30

Abril

18.90

Mayo

13.20

Junio

3.30

Julio

3.20

Agosto

3.26

Septiembre

12.70

Octubre

44.20

Noviembre

26.90

Diciembre

91.10

Pe med.

41.42

Fuente: Página Web Oficial del Servicio Nacional de meteorología e hidrología del Perú (SENAMHI)

Con respecto a la estimación de la Temperatura (°C) que se tiene en el distrito de Luricocha, esta se tomó de los datos históricos de la estación de Huanta del año 2014. (Ver Registro de datos en la Sección 8.3.1) Tabla N° 15 Temperatura Promedio de cada mes en el distrito de Luricocha, Generada con la información obtenida del Senamhi (Ver registro de Información Anexo 8.3.1) Mes

Temperatura

Enero

17.82 °C

Febrero

18.61 °C

Marzo

18.08 °C

Abril

18.73 °C

Mayo

17.23 °C

Junio

17.57 °C

Julio

16.88 °C

Agosto

16.00 °C

Septiembre

19.89 °C

Octubre

18.63 °C

Noviembre

20.40 °C

Diciembre

18.81 °C

Fuente: Datos tomados de la Pagina Web Oficial de Senamhi – Estación Huanta

4.2. INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CUENCA Distrito

: Luricocha.

Provincia

: Huanta.

Departamento

: Ayacucho

País

: Perú

Altitud : 2564 msnm Latitud : 12º53’53” Sur Longitud

: 74º16’16” Oeste

Población

: 5 089 hab. (Censo 2 007)

Superficie

: 130 𝐾𝐾𝐾𝐾2

Producción Agrícola : Palta Hass Temperatura Promedio

: 17.8 °C

Humedad Relativa Promedio : 91 % Nubosidad

: 97 %

Velocidad de Viento 13 m Área de Cuenca

: 3.1 m/s

: 34.22 km2

Perímetro de Cuenca :19,72 km Factor de Forma

: 0.88

Coeficiente de Gravelius

: 1,22

Densidad de Drenaje : 0,23 Fuente: Los datos Geográficos fueron tomados de la página web del Senamhi y las características de cuenca fueron calculadas del plano topográfico delimitado con la cuenca

Figura N° 22 Mapa de la delimitación de la cuenca en la zona del Proyecto

Fuente: Elaborado con ayuda del Software ArcMap

4.3. GENERACIÓN DE CAUDALES PARA LA CUENCA EN INTERES Las series históricas de descargas medias mensuales, han sido tomadas del Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA) en el 2008, el cual cuenta con registro de caudales desde el año 1964 a 1996. (Ver Registro de Información Anexo 8.3.2.7) A partir de las descargas medias mensuales, obtenidas del proyecto Huanta – Luricocha, se ha generado descargas en la cuenca en estudio mediante la siguiente relación. 𝑄𝑄𝑄𝑄 = 𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄𝑄. ( Qx

𝐴𝐴𝑋𝑋 𝑃𝑃𝑋𝑋 ). ( ) 𝐴𝐴 𝑃𝑃

: Caudal incógnita para la cuenca de interés (m³/s)

Qdato : Caudales medio mensual generados en el proyecto Huanta – Luricocha (m³/s) Ax

: Área de la cuenca de interés (Km²)

A

: Área de la cuenca usada en el proyecto Huanta - Luricocha (Km²)

Px

: Precipitación Media Anual en la Cuenca de interés (mm)

P

: Precipitación Media Anual usada en el proyecto Huanta - Luricocha (mm) . Tabla N° 16 Caudales Medios Mensuales corregidos del Río Opancay para la Cuenca de Interés

Mes

Q. medio Mensual (m3/s)

Enero

0,296

Febrero

0,343

Marzo

0,247

Abril

0,101

Mayo

0,086

Junio

0,108

Julio

0,055

Agosto

0,019

Septiembre

0,035

Octubre

0,109

Noviembre

0,075

Diciembre

0,227

Fuente: Elaboración Propia

Figura N° 23 Mapa de las cuencas y subcuencas consideradas en el proyecto de Afianzamiento Hidrico Huanta – Luricocha Punto de Medición de Caudales de las Cuencas

Fuente: Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha Elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA) – Figura 2.1 / Pág. 10

Tabla N° 17: Registro de Caudales mensuales medios de la cuenca Pampa Conchahuayco para el río Opancay Meses 4,40

Pe Max Anual

135,90

140,50

138,90

59,10

29,90

6,10

13,40

25,20

33,20

46,60

69,90

Año

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Media Maxima Minima

0,11 0,18 0,12 0,16 0,16 0,09 0,24 0,16 0,16 0,23 0,19 0,13 0,33 0,10 0,33 0,12 0,11 0,21 0,24 0,12 0,26 0,23 0,27 0,31 0,05 0,45 0,21 0,28 0,05 0,38 0,36 0,20 0,47 0,212 0,47 0,05

0,29 0,21 0,13 0,42 0,16 0,09 0,29 0,22 0,18 0,32 0,31 0,23 0,38 0,23 0,34 0,12 0,11 0,74 0,30 0,23 0,58 0,20 0,80 0,22 0,28 0,56 0,21 0,73 0,28 0,72 0,45 0,28 0,74 0,344 0,80 0,09

0,42 0,39 0,13 0,56 0,18 0,06 0,24 0,23 0,27 0,28 0,69 0,18 0,45 0,17 0,26 0,23 0,14 0,51 0,21 0,23 0,35 0,18 1,20 0,15 0,39 0,62 0,18 0,38 0,39 0,54 0,27 0,44 0,38 0,342 1,20 0,06

0,23 0,21 0,11 0,27 0,14 0,05 0,18 0,17 0,21 0,21 0,35 0,15 0,27 0,15 0,21 0,17 0,11 0,28 0,17 0,17 0,29 0,15 0,72 0,11 0,03 0,55 0,09 0,13 0,03 0,16 0,22 0,12 0,36 0,205 0,72 0,03

0,16 0,16 0,06 0,18 0,11 0,04 0,13 0,13 0,15 0,16 0,21 0,11 0,2 0,11 0,15 0,12 0,08 0,21 0,12 0,12 0,19 0,11 0,32 0,08 0,01 0,1 0,13 0,07 0,02 0,07 0,15 0,04 0,07 0,123 0,32 0,01

0,13 0,13 0,06 0,15 0,09 0,03 0,11 0,1 0,12 0,13 0,15 0,08 0,15 0,08 0,11 0,09 0,06 0,15 0,09 0,09 0,15 0,08 0,22 0,06 0,01 0,04 0,16 0,04 0,02 0,03 0,11 0,03 0,04 0,094 0,22 0,01

0,1 0,09 0,05 0,11 0,06 0,02 0,08 0,08 0,09 0,09 0,1 0,05 0,11 0,05 0,07 0,06 0,04 0,1 0,06 0,06 0,1 0,05 0,15 0,06 0,02 0,04 0,12 0,03 0,02 0,02 0,07 0,02 0,03 0,067 0,15 0,02

0,08 0,07 0,04 0,09 0,05 0,02 0,06 0,06 0,07 0,07 0,08 0,04 0,07 0,04 0,05 0,05 0,03 0,09 0,04 0,04 0,07 0,04 0,11 0,05 0,02 0,04 0,09 0,02 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,051 0,11 0,01

0,06 0,06 0,03 0,07 0,04 0,01 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,03 0,11 0,03 0,04 0,04 0,02 0,09 0,04 0,03 0,05 0,03 0,1 0,04 0,03 0,04 0,1 0,02 0,01 0,01 0,03 0,02 0,03 0,045 0,11 0,01

0,08 0,09 0,07 0,08 0,04 0,01 0,05 0,04 0,06 0,05 0,05 0,04 0,08 0,03 0,04 0,02 0,13 0,12 0,07 0,02 0,05 0,02 0,09 0,03 0,03 0,04 0,1 0,02 0,07 0,07 0,03 0,02 0,03 0,054 0,13 0,01

0,15 0,07 0,1 0,07 0,18 0,11 0,04 0,04 0,07 0,04 0,05 0,05 0,07 0,12 0,12 0,02 0,14 0,17 0,18 0,02 0,05 0,02 0,1 0,03 0,02 0,04 0,17 0,02 0,04 0,36 0,03 0,06 0,03 0,084 0,36 0,02

0,1 0,11 0,14 0,1 0,11 0,09 0,11 0,07 0,08 0,03 0,07 0,09 0,08 0,11 0,11 0,07 0,14 0,22 0,13 0,02 0,14 0,03 0,12 0,04 0,04 0,03 0,15 0,02 0,01 1,004 0,04 0,06 0,09 0,114 1,00 0,01

Q. Max Med. Anual 0,42 0,39 0,14 0,56 0,18 0,11 0,29 0,23 0,27 0,32 0,69 0,23 0,45 0,23 0,34 0,23 0,14 0,74 0,3 0,23 0,58 0,23 1,2 0,31 0,39 0,62 0,21 0,73 0,39 1,004 0,45 0,44 0,74

Fuente: Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha Elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA) – Anexo IV.2 – Cuadro Nº IV.2.

Tabla N°18: Registro de Caudales mensuales medios Corregidos en función a las características de la cuenca del proyecto Meses 3,30

Pe Max Anual

123,50

91,40

65,30

18,90

13,20

3,30

3,26

12,70

44,20

26,90

91,10

Año

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Media Maxima Minima

0,15 0,25 0,17 0,22 0,22 0,13 0,33 0,22 0,22 0,32 0,26 0,18 0,46 0,14 0,46 0,17 0,15 0,29 0,33 0,17 0,36 0,32 0,38 0,43 0,07 0,63 0,29 0,39 0,07 0,53 0,50 0,28 0,65 0,30 0,65 0,07

0,29 0,21 0,13 0,42 0,16 0,09 0,29 0,22 0,18 0,32 0,31 0,23 0,38 0,23 0,34 0,12 0,11 0,74 0,30 0,23 0,58 0,20 0,80 0,22 0,28 0,56 0,21 0,73 0,28 0,72 0,45 0,28 0,74 0,34 0,80 0,09

0,30 0,28 0,09 0,40 0,13 0,04 0,17 0,17 0,19 0,20 0,50 0,13 0,32 0,12 0,19 0,17 0,10 0,37 0,15 0,17 0,25 0,13 0,86 0,11 0,28 0,45 0,13 0,27 0,28 0,39 0,19 0,32 0,27 0,25 0,86 0,04

0,11 0,10 0,05 0,13 0,07 0,02 0,09 0,08 0,10 0,10 0,17 0,07 0,13 0,07 0,10 0,08 0,05 0,14 0,08 0,08 0,14 0,07 0,35 0,05 0,01 0,27 0,04 0,06 0,01 0,08 0,11 0,06 0,18 0,10 0,35 0,01

0,11 0,11 0,04 0,13 0,08 0,03 0,09 0,09 0,10 0,11 0,15 0,08 0,14 0,08 0,10 0,08 0,06 0,15 0,08 0,08 0,13 0,08 0,22 0,06 0,01 0,07 0,09 0,05 0,01 0,05 0,10 0,03 0,05 0,09 0,22 0,01

0,15 0,15 0,07 0,17 0,10 0,03 0,13 0,11 0,14 0,15 0,17 0,09 0,17 0,09 0,13 0,10 0,07 0,17 0,10 0,10 0,17 0,09 0,25 0,07 0,01 0,05 0,18 0,05 0,02 0,03 0,13 0,03 0,05 0,11 0,25 0,01

0,08 0,07 0,04 0,09 0,05 0,02 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,04 0,09 0,04 0,06 0,05 0,03 0,08 0,05 0,05 0,08 0,04 0,12 0,05 0,02 0,03 0,10 0,02 0,02 0,02 0,06 0,02 0,02 0,06 0,12 0,02

0,03 0,03 0,01 0,03 0,02 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 0,01 0,03 0,01 0,02 0,02 0,01 0,03 0,01 0,01 0,03 0,01 0,04 0,02 0,01 0,01 0,03 0,01 0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,04 0,00

0,05 0,05 0,02 0,05 0,03 0,01 0,04 0,04 0,05 0,05 0,05 0,02 0,08 0,02 0,03 0,03 0,02 0,07 0,03 0,02 0,04 0,02 0,08 0,03 0,02 0,03 0,08 0,02 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,03 0,08 0,01

0,16 0,18 0,14 0,16 0,08 0,02 0,10 0,08 0,12 0,10 0,10 0,08 0,16 0,06 0,08 0,04 0,27 0,24 0,14 0,04 0,10 0,04 0,18 0,06 0,06 0,08 0,20 0,04 0,14 0,14 0,06 0,04 0,06 0,11 0,27 0,02

0,13 0,06 0,09 0,06 0,16 0,10 0,04 0,04 0,06 0,04 0,04 0,04 0,06 0,11 0,11 0,02 0,12 0,15 0,16 0,02 0,04 0,02 0,09 0,03 0,02 0,04 0,15 0,02 0,04 0,32 0,03 0,05 0,03 0,07 0,32 0,02

0,20 0,22 0,28 0,20 0,22 0,18 0,22 0,14 0,16 0,06 0,14 0,18 0,16 0,22 0,22 0,14 0,28 0,44 0,26 0,04 0,28 0,06 0,24 0,08 0,08 0,06 0,30 0,04 0,02 2,01 0,08 0,12 0,18 0,23 2,01 0,02

Fuente: Elaboración Propia

Q. Max Med. Anual 0,30 0,28 0,28 0,42 0,22 0,18 0,33 0,22 0,22 0,32 0,50 0,23 0,46 0,23 0,46 0,17 0,28 0,74 0,33 0,23 0,58 0,32 0,86 0,43 0,28 0,63 0,30 0,73 0,28 2,01 0,50 0,32 0,74

4.4. CALCULO DE EVAPOTRANSPIRACIÓN Según lo explicado en la sección 3.3, el primer método que se tomará en cuenta para el cálculo de la evapotranspiración es el de Thorntwaite. Para ello se tomaron los siguientes datos de la estación de Luricocha. Tabla N° 19 Datos Obtenidos de la Estación de Luricocha DATOS DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA ESTACIÓN: Estación Luricocha ELEVACIÓN LATITUD: 2580

CIUDAD: 12°56’55’’ S

HUANTA DPTO: AYACUCHO LONGITUD: 74°14’13’’ W

Meses

Datos Metereologicos

Tmax (°C) Tmin (°C) Tprom (°C) HR (%) radiacion solar velocidad el viento(km/h)

Enero 26,24 11,50 18,87 68,63 30,50 2,19

Febrero 25,33 12,24 18,78 69,26 29,80 2,68

Marzo 25,31 12,14 18,72 66,53 28,30 2,42

Abril 27,27 10,89 19,08 64,92 25,40 3,07

Mayo 26,19 10,30 18,25 65,22 22,60 2,90

Junio 25,59 9,64 17,62 61,66 21,00 3,33

Julio 25,29 8,42 16,85 61,12 21,50 2,35

Agosto 25,77 8,94 17,35 59,70 24,00 2,16

Septiembre 27,79 10,59 19,19 63,44 27,00 1,97

Octubre 26,77 11,13 18,95 65,31 29,10 2,19

Noviembre Diciembre 28,24 26,00 12,28 11,70 20,26 18,85 70,48 71,34 29,90 30,60 2,63 1,74

Fuente: Datos tomados de la Pagina Web Oficial de Senamhi – Estación Luricocha En la Tabla anterior, se puede ver un resumen de las temperaturas máximas, mínimas, temperatura promedio, humedad relativa (%) y la velocidad del viento (km/h). Para el caso de la radiación solar, se obtuvieron esos datos desde el software Cropwat 8.0 de la FAO, dado que esos datos no se encontraban entre los datos que podría proporcionar la estación meteorológica más cercana. Con los datos obtenidos, se aplica la ecuación de Thorntwaite para el cálculo de Evapotranspiración EVP = 𝟏𝟏𝟏𝟏 (

𝟏𝟏𝟏𝟏∗𝑻𝑻 𝒏𝒏 ) 𝑰𝑰𝑰𝑰

EVP

: evapotranspiración potencial, en mm por mes de 30 días de 12 horas de duración.

T

: temperatura media mensual, en ˚C, en el mes considerado.

𝐼𝐼𝑖𝑖

: Índice térmico mensual

n

: Formula simplificada de Serra

𝐼𝐼𝑎𝑎

: Índice térmico anual

𝑇𝑇

𝐼𝐼𝑖𝑖 = (5)1.514 𝐼𝐼𝑎𝑎 = ∑ 𝐼𝐼𝑖𝑖

n = 0.016 𝐼𝐼𝑎𝑎 + 0.5

A continuación se presentan los resultados obtenidos con el método de Thorntwaite Tabla N° 20 Datos Obtenidos de la ecuación de Thorntwaite Temperatur a media Mes mensual (ºC) Enero 18.87 Febrero 18.78 Marzo 18.72 Abril 19.08 Mayo 18.25 Junio 17.62 Julio 16.85 Agosto 17.35 Septiembre 19.19 Octubre 18.95 Noviembre 20.26 18.85 Diciembre I (indice anual de calor) = a (formula de Serra) =

Índice de calor mensual i

Eto mensual Días del mes (mm/mes)

7.47 7.42 7.38 7.60 7.10 6.73 6.30 6.58 7.66 7.52 8.32 7.46 87.5 1.9

70.09 69.46 69.05 71.61 65.69 61.40 56.41 59.64 72.39 70.66 80.36 69.97

Nº horas Eto mensual de corregida luz/día (mm/mes)

31.00 28.00 31.00 30.00 31.00 30.00 31.00 31.00 30.00 31.00 30.00 31.00

12.92 12.52 12.17 11.83 11.47 11.30 11.33 11.57 12.02 12.37 12.55 13.03

77.98 67.64 72.36 70.59 64.88 57.82 55.03 59.42 72.51 75.27 84.04 78.51

Fuente: Elaboración Propia La tabla anterior muestra que la máxima evapotranspiración es 84.04 mm/ mes y se da en el mes de Noviembre, mientras que la mínima se da en el mes de Julio y alcanza un valor de 55.03 mm / mes El segundo método que se empleo fue el de Malmstrom, el cual considera como principal variable a la temperatura media mensual, dato que nos proporcionó la estación de Luricocha. Para este método se aplica la siguiente ecuación. (17.27𝑥𝑥𝑥𝑥 )

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 = 6.11 𝑥𝑥 𝑒𝑒 (237.3+𝑇𝑇) EVT

: Evapotranspiración media mensual (mm/ mes)

E

: 2.71828….

T

: Temperatura media mensual

A continuación se presentan los resultados obtenidos con el método de Malmstrom

Tabla N° 21 Datos Obtenidos de la ecuación de Malmstrom

Mes

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Temperatura media mensual (ºC)

es (milibares)

18.9

21.80

18.8 18.7 19.1 18.2 17.6 16.9 17.4 19.2 19.0 20.3 18.9

21.68 21.61 22.09 20.97 20.15 19.21 19.82 22.24 21.91 23.77 21.78

Eto (mm/mes) 89.18 88.69 88.37 90.36 85.75 82.42 78.55 81.06 90.97 89.62 97.22 89.08

Fuente: Elaboración Propia El tercer y cuarto método se realizó mediante el software Cropwat 8.0. Este programa modela la evapotranspiración considerando la teoría de Penman-Monteih. Para el primero se requiere los datos de temperatura mínima y máxima mensual. El segundo es más complejo ya que demanda datos de temperatura, humedad relativa, velocidad de viento y horas de sol. Después de modelar las dos metodologías (Ver Figura N° 25 y Figura N° 27), se observa en ambos casos que los resultados no varían mucho, pero por medidas de pregrado se creyó conveniente tomar una postura más conservadora y consultar un quinto método que sirva como línea base para poder analizar y comparar el grado de confiabilidad de los 4 métodos explicados anteriormente (Thorntwaite, Malmstrom, Penman-Monteih con el CROPWAT Resumido y Penman-Monteih con el CROPWAT Completo). En tal sentido el Atlas de Evapotranspiraciones del Perú se ajusta mejor a los resultados que se obtuvieron con el software Cropwat 8.0 en sus dos modelamientos ya que presenta una menor dispersión en comparación de los métodos de Thorntwaite y Malmstrom). En la Tabla N°23, se puede apreciar el cuadro comparativo de las 5 metodologías y se determina que los resultados del CROPWAT serán los que se utilice para esta tesis.

Figura N° 24 Datos Requeridos por el CROPWAT Resumido

Fuente: software Cropwat 8.0 Figura N°25 Resultados obtenidos con el CROPWAT Resumido

Fuente: software Cropwat 8.0 Figura N° 26 Datos Requeridos por el CROPWAT Completo

Fuente: software Cropwat 8.0 Figura N° 27 Resultados obtenidos con el CROPWAT Completo

Fuente: software Cropwat 8.0 Tabla N° 22 Cuadro de Evapotranspiraciones de Ayacucho - Perú

Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre ANUAL

Eto (mm/día) 4.75 4.25 4.25 4.25 4.25 4.00 4.00 4.25 4.25 4.50 5.00 5.00 52.75

Eto (mm/mes) 147.25 119.00 131.75 127.50 131.75 120.00 124.00 131.75 127.50 139.50 150.00 155.00 1605.00

Fuente: Atlas del Perú Tabla N° 23 Cuadro Comparativo de los 5 Métodos para calcular la evapotranspiración

Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Evp. Media

Método 1 Thorntwaite (mm/mes)

Método 2 Malmstrom (mm/mes)

Método 3 Cropwat R. (mm/mes)

Método 4 Cropwat C. (mm/mes)

Método 5 Atlas - Perú (mm/mes)

77.98 67.64 72.36 70.59 64.88 57.82 55.03 59.42 72.51 75.27 84.04 78.51

89.18 88.69 88.37 90.36 85.75 82.42 78.55 81.06 90.97 89.62 97.22 89.08

162.75 136.08 142.91 141.30 125.24 111.30 118.73 132.06 151.80 160.27 166.80 160.27

182.28 160.44 168.02 159.9 142.91 134.1 131.44 144.77 161.4 177.63 181.5 178.87

147.25 119.00 131.75 127.50 131.75 120.00 124.00 131.75 127.50 139.50 150.00 155.00

69.67

87.61

142.46

160.27

133.75

Fuente: Elaboración Propia

Figura N°28

Fuente: Elaboración Propia De esta manera, se puede apreciar que la evapotranspiración que será utilizada será del grupo uno. Estas tres metodologías de cálculo serán promediadas para darle una aproximación conveniente a los resultados de los tres métodos utilizados: Método Cropwat 1 - Penman-Monteih completo Método Cropwat 2 - Penman-Monteih resumido Atlas de Evapotranspiración

Tabla N° 24 Registro de Evapotranspiraciones obtenidas del promedio de los 3 métodos seleccionados Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Eto (mm/mes) 164.09 138.51 147.56 142.90 133.30 121.80 124.72 136.19 146.90 159.13 166.10 164.71

Fuente: Elaboración Propia Figura N°29 Grafica de Evapotranspiraciones obtenidas del promedio

Fuente: Elaboración Propia

4.5. CALCULO DEL USO CONSUNTIVO Como se desarrollo en la sección 3.10, el uso consuntivo se define como la cantidad de agua que consumen las plantas para germinar, crecer y producir económicamente y cuantitativamente. El cálculo del uso consuntivo se realizará aplicando la siguiente ecuación. 𝑼𝑼𝑼𝑼 = 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 = 𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬 ∗ 𝑲𝑲𝑲𝑲

UC

=

Uso consuntivo (mm)

ETR

=

Evapotranspiración real (mm/día)

Evp

=

Evapotranspiración Potencial (Calculado en la sección 4.4)

Kc

=

Coeficiente de uso consuntivo Tabla N°25 Valores de Coeficiente de Uso Consuntivo Kc para la palta

Fuente: Revista Chapingo serie horticultura 5: 201-207 – 1999 Pág. 9 38

Cfr. Garay Canales 2009:6

38

Para poder evaluar si la cantidad de agua que se tiene, oferta, es la suficiente para satisfacer el volumen requerido por la palta, se tiene que plantear dos escenarios uno en condiciones normales en la cual se considera solo el riego por gravedad y otro considerando la captación de un caudal adicional obtenido del río Opancay que será derivado a la tierra de cultivo y luego será regado por microaspersión. En ambos casos, se tiene que calcular la demanda de agua que se requiere para la siembra, Uso consuntivo, tomando en cuenta el porcentaje de eficiencia de cada sistema de riego. Para ello, se presenta la siguiente tabla. Tabla Nº 26 Eficiencia de riego utilizado para los métodos de riego

Fuente: Estudio comparativo de eficiencia de riego elaborado por el Departamento de Riego y Drenaje de la Facultad Ingeniería Agrícola Universidad de Concepción en Chile – Pág. 10 De la siguiente tabla, se desprende que para un riego por tendido o encharcamiento se puede manejar en promedio un porcentaje de eficiencia de 25% mientras que para un riego por microaspersión se considera un porcentaje medio de 75 % De las tablas Nº 27 y 28, se puede observar que para un riego por lluvia, el caudal promedio que se requiere es de 0.15 m3/s en un mes para satisfacer las 100 ha; mientras que para un riego por microaspersión el caudal requerido es en promedio de 0.10 m3/s en un mes.

Tabla N° 27 Calculo del Uso Consuntivo de la Palta - Sistema por Gravedad

CULTIVO :

PALTA

PERIODO DE SIEMBRA :

ENE - DIC

EFICIENCIA DE RIEGO :

25,0%

AREA BAJO RIEGO :

100,00 Ha

EVTP MES

u

I

I

Volumen

Caudal

(mm)

(mm/ha - mes)

(m3/ha - mes)

(m3 / mes)

(m3/s)

k (mm)

Enero

164,1

0,25

41,02

164,09

1640,9

164093,33

0,061

Febrero

138,5

0,40

55,40

221,61

2216,1

221610,67

0,083

Marzo

147,6

0,57

84,11

336,44

3364,4

336436,80

0,126

Abril

142,9

0,70

100,03

400,12

4001,2

400120,00

0,149

Mayo

133,3

0,77

102,64

410,56

4105,6

410564,00

0,153

Junio

121,8

0,78

95,00

380,02

3800,2

380016,00

0,142

Julio

124,7

0,76

94,79

379,16

3791,6

379158,93

0,142

Agosto

136,2

0,70

95,34

381,34

3813,4

381341,33

0,142

Septiembre

146,9

0,65

95,49

381,94

3819,4

381940,00

0,143

Octubre

159,1

0,53

84,34

337,36

3373,6

337362,67

0,126

Noviembre

166,1

0,48

79,73

318,91

3189,1

318912,00

0,119

Diciembre

164,7

0,35

57,65

230,60

2306,0

230598,67

0,086

ANUAL

145,5

6,94

985,5

3942,2

39421,5

3942154,4

0,123

Fuente: Elaboración Propia

Tabla N° 28

Calculo del Uso Consuntivo de la Palta - Sistema por Microaspersión

CULTIVO :

PALTA

PERIODO DE SIEMBRA :

ENE - DIC

EFICIENCIA DE RIEGO :

75,0%

AREA BAJO RIEGO :

MES

EVTP

100,00 Ha

k

(mm)

u

I

I

Volumen

Caudal

(mm)

(mm)

(m3/ha - mes)

(m3 / mes)

(m3/s)

Enero

164,1

0,25

41,02

54,70

547,0

54697,78

0,020

Febrero

138,5

0,40

55,40

73,87

738,7

73870,22

0,028

Marzo

147,6

0,57

84,11

112,15

1121,5

112145,60

0,042

Abril

142,9

0,70

100,03

133,37

1333,7

133373,33

0,050

Mayo

133,3

0,77

102,64

136,85

1368,5

136854,67

0,051

Junio

121,8

0,78

95,00

126,67

1266,7

126672,00

0,047

Julio

124,7

0,76

94,79

126,39

1263,9

126386,31

0,047

Agosto

136,2

0,70

95,34

127,11

1271,1

127113,78

0,047

Septiembre

146,9

0,65

95,49

127,31

1273,1

127313,33

0,048

Octubre

159,1

0,53

84,34

112,45

1124,5

112454,22

0,042

Noviembre

166,1

0,48

79,73

106,30

1063,0

106304,00

0,040

Diciembre

164,7

0,35

57,65

76,87

768,7

76866,22

0,029

ANUAL

145,5

6,94

985,5

1314,1

13140,5

1314051,5

0,041

Fuente: Elaboración Propia

NOTA: Según se puede observar en la Tabla Nº 28, el caudal máximo de demanda que se requiere para un sistema por microaspersión en 100 ha es de 0.051m3/s, este se da en el mes de mayo. Sin embargo por ser un caudal muy pequeño y por recomendaciones de nuestro jurado se ha decidido considerar captar 0.10 m3/s del río Opancay. Por tal motivo, este será el caudal considerado para diseñar las estructuras hidráulicas.

4.6. CALCULO DE CAUDAL DE MÁXIMAS AVENIDAS Como se explicó en la sección 3.5, se estimará el caudal de máximas avenidas para la bocatoma mediante el análisis de frecuencias hidrológicas. Según las recomendaciones de Linsleys en su libro Hidrología para Ingenieros, considera las Distribución Log – Normal, Pearson Tipo III, Log Pearson Tipo III y Gumbell, ya que son las más usadas para la modelación de crecientes en ríos. La información de caudales que nos ayudará a cuantificar el caudal de máximas avenidas es proporcionada por los registros de gastos para las cuencas estudiadas en el proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha; que fue elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Hídricos (INRENA) en el año 2008. Este proyecto, cuenta con información específica de la cuenca de Pampa de Conchahuayco que delimita al río Opancay y brinda información de caudales desde el año 1964 a 1993. Con esta información se generó los caudales de interés para la cuenca de la tesis. Tabla N° 29 Caudales Máximos Anuales de la Cuenca Pampa Conchahuayco Año

Q (m3/s)

1964

0,467

1965

0,421

Año

Q (m3/s)

1981

0,738

1982

0,334

1966

0,280

1967

0,514

1983

0,291

1968

0,291

1984

0,578

1969

0,180

1985

0,320

1970

0,374

1986

0,865

1971

0,374

1987

0,432

1972

0,421

1988

0,281

1973

0,421

1989

0,627

1974

0,497

1990

0,561

1975

0,259

1991

0,728

1976

0,514

1992

0,281

1977

0,259

1993

2,006

1978

0,460

1994

0,501

1979

0,291

1995

0,317

1980

0,280

1996

0,738

Fuente: Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha Elaborado por el Ministerio de Agricultura y el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA) – Anexo IV.2 – Cuadro Nº IV.18. Para estimar el caudal de máximas avenidas, procederemos a utilizar la primera distribución de Log – Normal. Para ello se requiere calcular el parámetro K t que está en función del coeficiente de

asimetría u oblicuidad Cs, mediante la siguiente formula:

Cs

: Coeficiente de asimetría u oblicuidad

𝑋𝑋�

: Media de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖

n

: Cantidad de Registro de caudales máximos registrados

𝑋𝑋𝑖𝑖

: Registro de caudales máximos

Aplicando la ecuación anterior para calcular el coeficiente de asimetría, donde se tiene una media de 𝑋𝑋� = 0.456 𝑚𝑚3/𝑠𝑠; una Desviación Estándar S = 0.298 y para una cantidad de valores de n = 33; se obtiene el siguiente valor. Cs = 2.65 Una vez calculado el Valor Coeficiente de Asimetría Cs; se procede a buscar el factor de distribución de Log – Normal 𝐾𝐾𝑡𝑡 (Ver Tabla N° 30)

Finalmente se calcula el valor de Xt Xt = 𝑋𝑋� + S.𝐾𝐾𝑡𝑡 Xt

: Es la magnitud del evento que tiene un periodo de retorno Tr y un factor Kt

Tabla N° 30

Valores 𝑲𝑲𝒕𝒕 y Q.Diseño para Distintos Tiempos de Retorno (Tr) Tr 5

Kt

Q.Diseño

0.69

0.662 m3/s

10

1.41

0.878 m3/s

25

2.12

1.090 m3/s

50

2.78

1.286 m3/s

100

3.31

1.444 m3/s

200

4.25

1.725 m3/s

Fuente: Elaboración Propia

Tabla N° 31 Valores del Factor de Frecuencia para distintos Tiempo de Retorno Vs Coeficientes de Oblicuidad

Fuente: Hidrología en la ingeniería - German Monsalve Pág. 122

Para estimar el caudal de diseño mediante el segundo método seguiremos la distribución Pearson Tipo III. Para ello se requiere calcular el parámetro 𝐾𝐾𝑡𝑡 que está en función del coeficiente de

asimetría u oblicuidad Cs, mediante la siguiente formula:

Cs

: Coeficiente de asimetría u oblicuidad

𝑋𝑋�

: Media de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖

n

: Cantidad de Registro de caudales máximos registrados

𝑋𝑋𝑖𝑖

: Registro de caudales máximos

Aplicando la ecuación anterior para calcular el coeficiente de asimetría, donde se tiene una media de 𝑋𝑋� = 0.456 𝑚𝑚3/𝑠𝑠; una Desviación Estándar S = 0.298 y para una cantidad de valores de n = 33; se obtiene el siguiente valor. Cs = 2.65 Una vez calculado el Valor Coeficiente de Asimetría Cs; se procede a buscar el factor de distribución de Pearson Tipo III “𝐾𝐾𝑡𝑡 " (Ver Tabla N° 32)

Finalmente se calcula el valor de Xt Xt = 𝑋𝑋� + S.𝐾𝐾𝑡𝑡

Xt

: Es la magnitud del evento que tiene un periodo de retorno Tr y un factor Kt

Tabla N° 32 Valores 𝑲𝑲𝒕𝒕 y Q.Diseño para Distintos Tiempos de Retorno (Tr)

Tr 5

Kt

Qdiseño

0.70

0.666 m3/s

10

1.41

0.876 m3/s

25

2.11

1.087 m3/s

50

2.75

1.277 m3/s

100

3.29

1.438 m3/s

200

3.99

1.647 m3/s

Fuente: Elaboración Propia

Tabla N° 33 Valores del Factor de Frecuencia para distintos Tiempo de Retorno Vs Coeficientes de Oblicuidad Parte 1 de 2

Fuente: Hidrología en la ingeniería - German Monsalve Pág. 124

Tabla N° 34 Valores del Factor de Frecuencia para distintos Tiempo de Retorno Vs Coeficientes de Oblicuidad Parte 2 de 2

Fuente: Hidrología en la ingeniería - German Monsalve Pág. 125

El tercer método que se usará para calcular el caudal de máximas avenidas de la bocatoma es el que sigue la Distribución de Log Pearson Tipo III. Este método que planteo Benson (1968) se obtiene cuando se usan los logaritmos de los datos observados junto con la Distribución de Pearson Tipo III 39. Para aplicar este método lo primero que se tiene que realizar es transformar las n magnitudes de los valores máximos hidrológicos 𝑋𝑋𝑖𝑖 a sus valores logarítmicos 𝑌𝑌𝑖𝑖 . 𝒀𝒀𝒊𝒊 = Log 𝑿𝑿𝒊𝒊

Para i = 1, 2, 3,4………n Luego se procede a calcular la media de los n valores transformados a logaritmo

𝑌𝑌�

: Media de los logaritmos de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖

n

: Cantidad de Registro de caudales máximos registrados

𝑌𝑌𝑖𝑖

: Logaritmos de los registros hidrológicos 𝑋𝑋𝑖𝑖

Para este caso el valor obtener es igual a: � = -0.404 𝒀𝒀

El siguiente paso es calcular la Desviación Estándar de los

Sy 𝑌𝑌�

𝑌𝑌𝑖𝑖 39

: Desviación Estándar para los logaritmos de 𝑌𝑌𝑖𝑖

: Media de los logaritmos de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖 : Logaritmos de los registros hidrológicos 𝑋𝑋𝑖𝑖

Cfr. Monsalve 1995 :123

n

: Cantidad de Registro de caudales máximos registrados

De la ecuación anterior se obtiene una Desviación Estándar Sy = 0.227 Continuando con este procedimiento se calcula el coeficiente de oblicuidad de los logaritmos.

Cs

: Coeficiente de asimetría u oblicuidad

Sy

: Desviación Estándar para los logaritmos de 𝑌𝑌𝑖𝑖

𝑌𝑌�

𝑌𝑌𝑖𝑖

: Media de los logaritmos de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖 : Logaritmos de los registros hidrológicos 𝑋𝑋𝑖𝑖

Luego se calcula:

� + Sy.KT YT = 𝒀𝒀

En donde KT, se obtiene en la Tabla N° 35, la cual está en función del Tiempo de Retorno Tr y el coeficiente oblicuidad Cs Finalmente Xt se obtiene mediante la siguiente formula. Xt = AntilogYT Tabla N° 35 Valores Kt y Q.Diseño para Distintos Tiempos de Retorno (Tr) Tr 5

Kt

Q.Diseño

0.84

0.613 m3/s

10

1.28

0.772 m3/s

25

1.75

0.986 m3/s

50

2.05

1.156 m3/s

100

2.28

1.298 m3/s

200

2.58

1.519 m3/s

Fuente: Elaboración Propia

Tabla N° 36 A Valores del Factor de Frecuencia para distintos Tiempo de Retorno Vs Coeficientes de Oblicuidad Parte 1 de 2

Fuente: Hidrología en la ingeniería - German Monsalve Pág. 124

Tabla N° 36 B Valores del Factor de Frecuencia para distintos Tiempo de Retorno Vs Coeficientes de Oblicuidad Parte 2 de 2

Fuente: Hidrología en la ingeniería - German Monsalve Pág. 125

Finalmente el ultimo método sigue la distribución Gumbell, esta distribución es muy similar a las dos primeras, variando únicamente la forma de calcular el coeficiente Kt. El cual se calcula planteando la siguiente formula.

Donde Tx(x) es el tiempo de retorno para un determinado número de años. Luego: Xt = 𝑋𝑋� + S.𝐾𝐾𝑡𝑡 Xt

: Es la magnitud del evento que tiene un periodo de retorno Tr y un factor Kt

𝑋𝑋�

S

: Media de los registros caudales 𝑋𝑋𝑖𝑖

Kt

: Factor de Distribución de frecuencia

: Desviación Estándar

Tabla N° 37 Valores Kt y Q.Diseño para Distintos Tiempos de Retorno (Tr) Tr 5

Kt

Q.diseño

0.84

0.708 m3/s

10

1.52

0.911 m3/s

25

1.90

1.024 m3/s

50

2.35

1.158 m3/s

100

3.59

1.528 m3/s

200

3.44

1.483 m3/s

Fuente: Elaboración Propia Finalmente se presenta el cuadro resumen de los diferentes caudales de diseño aplicando las 4 distribuciones y empleando distintos tipos de tiempo de retorno Tr Tabla N° 38 Caudales de Diseño para distintos Tiempos de Retorno y Distribuciones Hidrológicas

CAUDAL DE DISEÑO (Qd.) TR

Log - Normal

Normal

Log Pearson Tipo III

Gumbell

5

0.662 m3/s

0.666 m3/s

0.613 m3/s

0.708 m3/s

10

0.878 m3/s

0.876 m3/s

0.772 m3/s

0.911 m3/s

25

1.090 m3/s

1.087 m3/s

0.986 m3/s

1.024 m3/s

50

1.286 m3/s

1.277 m3/s

1.156 m3/s

1.158 m3/s

100

1.444 m3/s

1.438 m3/s

1.298 m3/s

1.528 m3/s

200

1.725 m3/s

1.647 m3/s

1.519 m3/s

1.483 m3/s

Fuente: Elaboración Propia Nota: Para estimar el caudal de máximas avenidas para la bocatoma se usaron 4 diferentes tipos de distribuciones, las cuales se muestran en la Tabla N°38, de esta se puede apreciar que todas ellas tienen mucha similitud en sus resultados. Sin embargo para el diseño de la bocatoma, la Autoridad Nacional de Agua (ANA), recomienda usar un Tiempo de Retorno igual a 25 años. Tomando en cuenta esta recomendación se llega a la conclusión que el Q Max. Avenidas es igual a 1 m3/s

4.7. DISPONIBILIDAD HÍDRICA ACTUAL Y CON LA NUEVA PROPUESTA DE RIEGO ESCENARIO Nº1 (CONDICIONES SIN LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO) El proyecto actualmente es una tierra adecuada para el cultivo de palta, no obstante, no cuenta con ningún sistema de riego artesanal o tecnificado, por lo que el único método de riego que se maneja es por encharcamiento en época de lluvia. El cual es muy ineficiente y poco útil.

Tabla Nº 39 Balance Hídrico para el escenario Nº 1

Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

N° de Dias x Mes 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Oferta (a) Precipitación (mm) Precipitación (m3/s) 0,046 123,50 91,40 0,038 65,30 0,024 0,007 18,90 0,005 13,20 9,29 0,004 18,60 0,007 0,004 9,91 0,008 20,80 39,20 0,015 0,014 36,20 0,034 91,10

Demanda (b) U (m3/s) 0,0613 0,0827 0,1256 0,1494 0,1533 0,1419 0,1416 0,1424 0,1426 0,1260 0,1191 0,0861

Balance Hídrico c=a-b -0,02 -0,04 -0,10 -0,14 -0,15 -0,14 -0,13 -0,14 -0,13 -0,11 -0,11 -0,05

Fuente: Elaboración Propia Según lo explicado líneas arriba y con los cálculos de precipitación obtenidos en la sección 4.1 y de uso consuntivo en la sección 4.5, llegamos a la conclusión de que las condiciones actuales no permiten garantizar la producción de 100 ha de palta (Ver Balance Hídrico – Escenario 1); Por lo que se debe plantear otro tipo de solución ingenieril, para ello se plantea un segundo escenario donde se contempla estas restricciones.

Figura Nº 30 Ubicación de la Cuenca y de la tierra de cultivo destinada para el proyecto (Escenario N º 1)

Fuente: Elaboración Propia con ayuda de los software Google Earth y Arc Map

ESCENARIO Nº 2 (CONDICIONES CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO) En este segundo escenario, se plantea captar agua del Río Opancay, mediante la construcción de una Bocatoma por donde se desviara el caudal requerido de 0.10 m3/s en un mes considerando un sistema de microaspersión del 90% de eficiencia, que luego será llevado a un desarenador. Luego de haber limpiado el agua mediante el desarenador, el caudal es conducido por un canal de sección triangular, luego este se conecta a una rápida y continua por un segundo canal de características similares al primero hasta un reservorio en el cual se almacenara el volumen requerido en épocas de estiaje del río Opancay. Finalmente el caudal llega al área de cultivo mediante una tubería a presión que se conecta desde el reservorio hasta el punto de siembra. Esta propuesta es validada mediante un balance hídrico considerando la captación de un caudal adicional. Para garantizar que nuestra propuesta es viable se realizó un segundo balance hídrico, en este vemos que se puede cubrir con la demanda requerida, salvo los meses de agosto y setiembre en los cuales nos encontramos en déficit de 0.016 m3/s y 0.012 m3/s respectivamente. Para ello, se plantea la construcción de un reservorio, en el cual se almacene el agua faltante durante los periodos de estiaje. Este reservorio será llenado con un caudal adicional 0.0028 m3/s que será llenado a lo largo de los 10 meses que se tiene exceso de caudal para cumplir con los meses de poca oferta en el río.

Tabla Nº 40 Balance Hídrico para el Escenario Nº 2

Mes

N° de Dias x Mes

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

a b c = cte d = a+ b - c Q.medio Mensual Precipitación (m3/s) Q ecologico Río Oferta (m3/s) (m3/s) 0,046 0,296 0,015 0,327 0,038 0,343 0,015 0,366 0,024 0,247 0,015 0,256 0,007 0,101 0,015 0,093 0,005 0,086 0,015 0,076 0,004 0,108 0,015 0,096 0,007 0,055 0,015 0,047 0,019 0,004 0,015 0,008 0,035 0,008 0,015 0,028 0,015 0,109 0,015 0,109 0,014 0,075 0,015 0,074 0,034 0,227 0,015 0,246

f=d-e g = 0.059/10 h = e + g e Uso Consuntivo Balance Hidríco Q adicional x Q Req captar (m3/s) (Q excedente) Agost / Sept del Río Real 0,020 0,307 0,0059 0,026 0,028 0,338 0,0059 0,034 0,042 0,214 0,0059 0,048 0,050 0,043 0,0059 0,056 0,051 0,025 0,0059 0,057 0,047 0,049 0,0059 0,053 0,047 0,000 0,0059 0,053 0,047 -0,040 0,008 0,048 -0,020 0,028 0,042 0,067 0,0059 0,048 0,040 0,034 0,0059 0,046 0,029 0,218 0,0059 0,035 0,491

Fuente: Elaboración Propia

0,491

Figura Nº 31 Ubicación de la Cuenca y el área de cultivo considerando la implementación del proyecto (Escenario N º 2)

Fuente: Elaboración Propia con ayuda de los software Google Earth

4.8. Calculo del Volumen del Reservorio Para calcular el volumen del reservorio se analizó el balance hídrico (Ver Tabla Nº 40) con un segundo escenario, en el cual se observa que en el mes de Agosto y setiembre se genera el mayor déficit de agua con 0.059 m3/s que no puede ser proporcionado por el río por lo que esto genera que se plantee la opción de poner un reservorio. Por lo tanto para 0.059 m3/ se requiere almacenar un volumen: 0.059x30 x 24 x 60 x 60 = 152 928 m3 / mes 30 son el número de días promedio de un mes 24 son las horas de un día 60 son los minutos en una hora 60 son los segundos en un minuto De la siguiente relación se obtiene que el volumen del reservorio debe ser de 152 928 m3. Para estimar las dimensiones de dicha estructura, se asume un reservorio de forma cuadrada, con las cuales obtenemos unas medidas de 155 m de largo por 155 m de ancho y una altura efectiva de 6.5 m, a esta hay que sumarle 1 m de borde libre y 1 m por sedimentos, teniendo finalmente 8.5 m de altura total.

CAPITULO 5: INGENIERÍA DEL PROYECTO.

5.1. DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 5.1.1. DISEÑO DE LA BOCATOMA TIPO TIROL Para el cálculo de la Bocatoma tipo Tirol son necesarios plantear los siguientes datos: Caudal de diseño:

0.10

m3/s

Caudal Máximas Avenidas: 0.989 m3/s Ancho del Río

2.5

m (Dato de campo)

Cabe Resaltar que esta etapa del diseño de la Bocatoma, utilizando los caudales máximos, es para contener las avenidas en los muros de contención, mientras que el caudal de diseño será utilizado para el diseño del vertedero y la cavidad de captación de aguas, el cual transmitirá el agua necesaria a las obras de conducción del proyecto. El ancho del río, medido en campo durante la visita, es igual a 2.5 metros. La bocatoma se diseña como un vertedero rectangular C=1.84: 𝟑𝟑

𝑸𝑸 = 𝑪𝑪. 𝑳𝑳. 𝑯𝑯𝟐𝟐

𝑯𝑯 = ( Esquema del vertedero rectangular utilizado:

𝑸𝑸 )𝟐𝟐/𝟑𝟑 𝟏𝟏. 𝟖𝟖𝟖𝟖. 𝑳𝑳

Figura N°32 Descripción gráfica Vertedero rectangular utilizado

Fuente: Hidráulica de Canales - Máximo Villón Pág. 67

Lámina de agua en las condiciones de diseño, una vez utilizada la formula anterior, se obtiene el siguiente valor para “H”: H = 0.10 m A continuación, se calcula la Velocidad del río sobre el Vertedero con la siguiente fórmula, en la cual se utilizará la altura de la lámina de agua obtenida líneas arriba: 𝑉𝑉𝑉𝑉 =

𝑄𝑄 𝐿𝐿 . 𝐻𝐻

Esta Velocidad del río (Vr) tiene que estar entre los valores 0.3 m/s y 3.0 m/s según la norma del ANA, para no tener problemas de decantación y erosión. Por lo tanto, reemplazando los datos en la formula se obtiene el siguiente valor para el Vr: Vr =

0.40

m/s

Al tener el Vr igual a 0.40 m/s no se tienen problemas. Se proyecta el Diseño de la Rejilla y del Canal de aducción, con el fin de calcula el espaciamiento.

Dónde: Xs = Alcance filo Superior (m) Xi = Alcance filo inferior (m) Vr = Velocidad del río (m/s) H = Profundidad de la lámina de agua sobre el vertedero (m) B = ancho del canal colector (m)

Xs =

0.356 m

Xi =

0.238 m

B=

0.500 m

LONGITUD DE LA REJILLA Y NÚMERO DE ORIFICIOS: 𝐴𝐴𝐴𝐴 = (𝑎𝑎 + 𝑏𝑏) . 𝐵𝐵 . 𝑁𝑁

Dónde: An = Área neta de la rejilla (m2) a = Separación entre barras (m) N = Número de orificios entre barras b = diámetro de cada barrote

𝑉𝑉𝑉𝑉 =

𝑄𝑄 𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 𝐵𝐵

Inicialmente se supone la velocidad entre barrotes de 0.8 m/s An (supuesto) =

0.25

m2

LONGITUD DE LA REJILLA (Lr) Se adoptan barrotes de 1/2" con una separación de ellos de 1"

Lr =

0.750 m

Lr =

0.800 m

Recalculando el An: An = 0.30

m2

Número de orificios: N=

12.00

𝑎𝑎 + 𝑏𝑏 𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐿𝐿𝐿𝐿 = � �∗ 𝑎𝑎 𝐵𝐵

Se adoptan entonces 12 separaciones con varillas, separados cada 2" con lo que se obtienen las condiciones finales del An: Valores finales: An=

0.30

m2

Vb=

0.645 m/s

Lr=

0.930 m = 1.00 m

Esquema Rejilla de captación con varillas de ½” de espesor y 2” de separación para el pase de agua. Altura (h) de 0.30 m y longitud de la rejilla de 1.00m: Figura N°33 Esquema – Rejilla de captación de la bocatoma tipo Tirol

Fuente: Elaboración Propia NIVELES EN EL CANAL CONDUCTOR Aguas abajo: ℎ𝑐𝑐 = ( he = hc se cumple dado que es descarga libre Ho = Profundidad aguas arriba He = Profundidad aguas abajo Hc = profundidad crítica I =

Pendiente del fondo decanal

∝ . 𝑄𝑄 2 1 )3 𝑔𝑔 . 𝐵𝐵 2

g =

aceleración de la gravedad

Lc =

Longitud del canal

Entonces:

He = Hc =

∝ = 1 ; 𝑔𝑔 = 9.81 𝑚𝑚/𝑠𝑠2

0.200 m

Aguas arriba: 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐿𝐿 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 + 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑠𝑠𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

Espesor del muro igual a 30 centímetros L canal =

1.40

m

i = Se toma una pendiente del 3%

2

ℎ𝑜𝑜 = (2 * ℎ𝑒𝑒 + (he Ho = 0.40

𝑖𝑖 𝐿𝐿𝐿𝐿 3

2

) ) ^ (1/2) -

2 3

∗ 𝑖𝑖 𝐿𝐿c

m

ALTURA TOTAL DE LOS MUROS DEL CANAL DE ADUCCIÓN 𝐻𝐻𝐻𝐻 = ℎ𝑜𝑜 + 𝐵𝐵 . 𝐿𝐿

𝐻𝐻𝐻𝐻 = ℎ𝑜𝑜 + 𝑖𝑖 . 𝐿𝐿𝐿𝐿

Ho=

0.60

m

(aguas arriba)

He=

0.44

m

(aguas abajo)

VELOCIDAD DEL AGUA AL FINAL DEL CANAL 𝑉𝑉𝑉𝑉 =

Ve = 1.00

m/s

𝑄𝑄 𝐵𝐵 . ℎ𝑒𝑒 (𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎)

DISEÑO DE LA CÁMARA DE RECOLECCIÓN 2 3

𝑋𝑋𝑋𝑋 = 0.36 . 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 0.60 ℎ𝑒𝑒

4/7

4 7

Xi = 0.18 . 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 0.74 ℎ𝑒𝑒

3/4

B = Xs + 0.30 Xs = 0.599 m – Distancia en el punto más lejano de la cámara Xi = 0.401 m – Distancia en el punto más cercano de la cámara B cámara =

0.900 m

B/ cámara =

1.500 m

Para acceder más rápido a la cámara por temas de mantenimiento se adopta una Base de la cámara de 1.5m CÁLCULO DE ALTURA DE LOS MUROS DE CONTENCIÓN Se utiliza aquí el caudal máximo del río (máximas avenidas), la altura de la lámina de agua en la garganta de la bocatoma es: 𝑯𝑯 = ( H=

0.40

m

𝑸𝑸 )𝟐𝟐/𝟑𝟑 𝟏𝟏. 𝟖𝟖𝟖𝟖. 𝑳𝑳

Dejando un borde libre de 0.5m H*=

0.90

m

CÁLCULO DEL CAUDAL DE EXCESOS H inicial =

0.10

m 𝑄𝑄 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐶𝐶𝐶𝐶 ∗ 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ √2𝑔𝑔𝑔𝑔

Dónde: Q cap. =

Caudal de captación (m3/s)

Cd

Coeficiente de descarga (0.3)

=

A neta=

Área neta de la rejilla (m3/s)

H

altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m)

=

Q cap. =

0.131 m3/s

Q excesos = Q capt - Q diseño (0.1 m3/s) Q excesos =

0.031 m3/s

Las condiciones del vertedero, tipo rectangular, del por excesos serán: 𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = ( Hexc =0.06

m

Vexc=

0.35

Xs=

0.299 m

𝑄𝑄 )2/3 1.84 . 𝐵𝐵𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

m/s

El vertedero de exceso será colocado a (0.299m + 0.30m) 0.599m de la pared aguas debajo de la cámara de recolección CÁLCULO DE LAS COTAS Partimos de la cota del río en el punto de captación Fondo del río= CAPTACIÓN

2670 msnm

Diseño

= 2670.100

msnm (+ Lamina de bocatoma)

Máxima

= 2670.400

msnm (+ alt. Muro de contención)

Promedio

= 2670.100

msnm (+ alt. H real)

Corona de M. Contención

= 2670.900

msnm (+ alt. MAX. Alt Muro de contención)

Fondo aguas arriba

= 2669.400

msnm (- altura de los muros canal de aducción)

Fondo aguas abajo

= 2669.558

msnm (- altura de los muros canal de aducción)

CANAL DE ADUCCIÓN

Lámina aguas arriba = 2669.800

msnm (+ alt. H generada por la pendiente)

Lámina aguas abajo = 2669.758

msnm (+ alt. H generada por la pendiente)

CÁMARA DE RECOLECCIÓN Lámina de agua

= 2669.758

Cresta del Vert. De exceso= 2669.698 Fondo

= 2668.798

msnm (- altura de los muros canal de aducción) msnm (- altura de los muros canal de aducción)

msnm (+ alt. H generada por la pendiente)

5.1.2. DISEÑO DE DESARENADOR Cálculo del Desarenador – Metodología de la ANA A continuación se presentan las características de diseño utilizadas: Q diseño

0.1

m3/s

Diámetro de la partícula

0.25

mm

T. Promedio

19

°C

Viscosidad cinemática

0.01059

Relación L/B=

4:1

cm2/s

Otra de las consideraciones para el diseño es tener en cuenta que es preferible contar con un tanque rectangular con relación de longitud a ancho (L/B) entre 3/1 y 5/1, cuya profundidad mínima específica es de 1.5 m y la máxima de 4.5 m.

Se recomienda una relación de longitud a profundidad de almacenamiento de lodos de aproximadamente 10/1. Normalmente a profundidad de lodos está entre 0.75m y 1.5m. Las pendientes del fondo del desarenador deben oscilar entre 5% y 8% para que la masa lodosa ruede hacia el desagüe. A continuación, se presentan los cálculos que serán desarrollados para el dimensionamiento del desarenador: Dónde: Vs = velocidad de sedimentación de la partícula (cm/s) ƿ= densidad del fluido = 1 g = aceleración de la gravedad (9,81 cm/s2) d = diámetro de la partícula. (cm) T = temperatura del agua (°C) Arcillas (ANA): Vs=

0.081 m/s Tiempo que tarda una partícula en llegar al fondo:

Dónde: H = Profundidad útil de sedimentación, la cual es supuesta (m) Vs= Velocidad de sedimentación de la partícula c. (m/s) H=

2.00 m

T=

24.69 s

Se procede a calcular el tiempo que se demora la partícula de agua en entrar y salir del tanque:

Ɵ = período de retención hidráulico en horas Ɵ = 74.07 De este modo se determina el volumen del tanque como:

Vol. = 7.407 m3 Se calcula el área superficial del tanque en m2, así:

As=

3.704 m2

Se determina las dimensiones de largo, ancho y profundidad respetando los criterios de diseño.

B=

1.000 m

L=

4.000 m

Para un criterio de diseño de con relación 4:1 entre el Largo y el ancho. El caudal por unidad de área superficial q (m3/m2-día) se establece

q=

0.027 cm/s

Este valor será igual a velocidad de sedimentación de la partícula crítica Vo (cm/s) en condiciones teóricas: Vs=

0.081 m/s

Luego, se calcula la velocidad horizontal:

Vh = 0.162 m/s CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DEL DESARENADOR VERTEDERO DE SALIDA: Con un vertedero de salida de longitud de cresta igual al ancho de la unidad se tiene como altura de agua sobre el vertedero:

Hv=

0.143 m

Vv= 0.697 m/s Xs=

0.481 m

Lv=

0.581 m

PANTALLA DE SALIDA Profundidad = 1 m Distancia al vertedero de salida = 15Hv = 2.152

m

PANTALLA DE ENTRADA Profundidad = 1 m Distancia a la cámara de aquietamiento = L/4 = 1.0 m ALMACENAMIENTO DE LODOS Para el diseño de sector tan importante del desarenador se establece la relación longitud/profundidad de lodos Distancia desde el punto de salida a la cámara de aquietamiento = L/3 = 1.333 Distancia desde el punto de salida al vertedero de salida = 2L/3 = 2.667 m PENDIENTE TRANSVERSAL

St=

10.00 %

PENDIENTE LONGITUDINAL EN (L/3)

SL/3

7.50

%

PENDIENTE LONGITUDINAL (2L/3)

S2L/3

3.75

%

CÁMARA DE AQUIETAMIENTO Profundidad = Hs/ 3 0.67

m = 1.00 m (adoptado)

Ancho = B/3

m = 0.50m (adoptado)

0.33

m

Y el largo es adoptado.

1.00

m

RESUMEN Finalmente

L=

4.00

m

Finalmente

b=

1.00

m

Finalmente

h=

2.00

m

Pendiente longitudinal

7.50

%

Pendiente transversal 10.00 % Las medidas finales, utilizadas en el cálculo del desarenador, fueron redondeadas para realizar la construcción de la forma más factible posible. Sobre las consideraciones de diseño, no se está incluyendo dentro del cálculo del desarenador, la incorporación de un canal de alivio transversal, dado que se tiene un caudal muy bajo y, puede ser limpiado manualmente los sedimentos decantados en el fondo del desarenador sin alterar, con mucho impacto, el flujo de aguas en el sistema. Asimismo, la incorporación de un reservorio aguas abajo al desarenador, permite el flujo continuo de agua a las tierras de cultivo.

5.1.3. DISEÑO DEL CANAL DE CONDUCCIÓN Para el diseño del canal de conducción se utilizaron 2 metodologías. La primera fue la fórmula de Manning, en la cual se consideró los siguientes parámetros. 𝑄𝑄 = Q: Caudal de diseño de máximas avenidas

2 1 𝐴𝐴. 𝑅𝑅 3 . √𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑛𝑛

A: Área de la sección del canal R: Radio hidráulico S: Pendiente del canal n : Coeficiente del material de canal Nota: El coeficiente del material que se usara en el canal será de 0.014, el cual corresponde a un canal revestido de concreto.

Tabla N° 41 Relaciones Hidráulicas para el canal de Conducción Q real

Q asumido

Diferencia

0.100

0.10

0.00

DATOS PRINCIPALES Y1

0.40

m

Q

0.10

m3/s

B

0.00

m

Z

0.75

u

S

0.21%

u

n

0.014

tabla

BL

0.3

asumido/dato

RELACIONES Am

0.125

m2

Pm

1.000

m

Rh

0.120

relación

H

0.70

m

T

0.70

m

W

1.10

m

Vel

0.80

m/s

D

0.200

m

F

0.57

SUBCRITICO

Fuente: Elaboración Propia Para el cálculo de las relaciones hidráulicas en la Tabla N° 41, se tomó en consideración el marco teórico desarrollado en la sección 3.9 y se presenta un resumen de los resultados a continuación. Tabla N° 42 Resumen de Relaciones Hidráulicas para el canal de Conducción Q

S

b

Y

A

V

P

R

BL

H

T

W

(m /s) (%)

(m)

(m)

(m )

(m/s)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

(m)

0.10

0.0

0.40

0.13

0.80

1.00

0.12

0.30

0.70

0.60

1.10

n 3

0.21% 0.014

2

Z

F

0.75

0.67

Fuente: Elaboración Propia Consideraciones Tomadas: Debido al bajo caudal con el que se cuenta, 0.10 m3/s, se optó por realizar un diseño de un canal triangular ya que se ajustar mejor a las características hídricas con las que se cuenta. Se observa que el Numero de Froude, es menor que 1, esto garantiza que el flujo sea del tipo suscritico y se mantenga un fluido laminar.

5.1.4. DISEÑO DE LA RAPIDA Para el diseño de la rápida se considerara una sección de control rectangular, en donde se producirá flujo crítico para ello usaremos la ecuación de flujo crítico.

Dónde: Q: Caudal de diseño de máximas avenidas A: Área critica de la sección del canal g: Gravedad T: Espejo de Agua

𝑸𝑸𝟐𝟐 𝑨𝑨𝒄𝒄 = 𝒈𝒈 𝑻𝑻

El primer cálculo se realizara antes de la rápida y mediante las relaciones explicadas en la parte teórica se obtuvieron los siguientes resultados. Tabla N° 43 Relaciones Hidráulicas en el Punto 1 de Flujo Uniforme, antes de la Rápida Q real

Q asumido

Diferencia

0.100

0.10

0.00

DATOS PRINCIPALES Y1

0.40

m

Q

0.10

m3/s

B

0.00

m

Z

0.75

u

S

0.21%

u

n

0.014

tabla

BL

0.3

asumido/dato

RELACIONES Am

0.125

m2

Pm

1.000

m

Rh

0.120

relación

H

0.70

m

T

0.60

m

W

1.10

m

Vel

0.80

m/s

D

0.200

m

F

0.57

SUBCRITICO

Fuente: Elaboración Propia Tabla N° 44 Relaciones Hidráulicas en el Punto 2 de Flujo Critico, al inicio de la Rápida Q real

Q asumido

Diferencia

0.10

0.10

0.00

DATOS Y2 0.19

m

Q

0.10

m³/s

b

0.40

m

Z

0.00

u

S

0.21%

u

n

0.014

tabla

BL 0.3

asumido/dato

RELACIONES Ac

0.07

m2

Pm

0.77

m

Rh

0.096

relación

H

0.49

m

T

0.40

m

W

1.00

m

Vc

1.35

m/2

D

0.19

m

F

1.00

critico

Fuente: Elaboración Propia De los siguientes cálculos se observa que para un caudal de 0.10 m3/s, el tirante que se requiere en la rápida es de 0.19 m y un ancho de 0.39 m. Asumiendo un criterio que facilite el proceso constructivo, el tirante de la rápida será Y = 0.20 m y el ancho B = 0.40 Luego una vez que se tiene los espejos de agua antes y en el inicio de la rápida, se procede a calcular la longitud de transición. T1

0.60

m

T2

0.40

m

Lt

0.45

m

α

12.5

°

Lt

0.50

m

T1: Espejo de Agua antes de la Rapida T2: Espejo de Agua Inicio de la Rapida Lt: Longitude de Transición Tabla N° 45 Relaciones Hidráulicas en el Punto 3 de Flujo Supercrítico, en la Rápida

Q real

Q asumido

Diferencia

0.100

0.10

0.00

DATOS PRINCIPALES Y3

0.10

m

Q

0.1

m3/s

B

0.4

m

Z

0

u

S

11.64%

u

n

0.014

tabla

BL

0.3

asumido/dato

RELACIONES Am

0.04

m2

Pm

0.60

m

Rh

0.067

relación

H

0.40

m

T

0.40

m

W

0.40

m

Vel

4.01

m/s

D

0.10

m

F

4.05

SUPERCRITICO

Fuente: Elaboración Propia

Luego de obtener el tirante en la rápida se procederá a calcular el tirante conjugado mediante las siguientes ecuaciones.

Tabla N° 46 Relaciones Hidráulicas en el punto 4 para calcular el Tirante Conjugado en la Rápida

Y4

0.3

m

Y3

0.10

m

Q

0.1

m³/s

b

0.4

m

g

9.81

m/s²

DATOS

RELACIONES A1 0.04

m2

V1 2.50

m/s

T1 0.40

m

D1 0.10

m

F1 2.52

SUPERCRITICO

Fuente: Elaboración Propia Como se observa el tirante antes del resalto hidráulico tiene una altura de 0.10 m y después es de 0.3 m, estos datos nos sirven para poder verificar si la estructura cumple con las velocidades permisibles que evitan la erosión del material de la rápida y también se puede calcular la longitud del colchón disipador, mediante las siguientes formulas. Velocidad máxima para el concreto es 7.40 m/ seg Y

0.3

m

Q

0.1

m³/s

b

0.4

m

g

9.81

m/s²

A1

0.12

m2

V1

0.81

m/s (ok)

T1

0.40

m

D1

0.31

m

F1

0.46

SUBCRITICO

Para el cálculo del colchón disipador después de la rápida, usaremos dos métodos. Método de Schoklitsch

L ≈ 1.26 ≈ 1.30 m Donde Y1: Tirante antes del resalto Y2 Tirante después del resalto L: Longitud del Colchón Disipador

Para calcular las dimensiones del canal después de la rápida se hace una última vez Manning, aquí se considera la nueva pendiente del terreno.

Tabla N° 47 Relaciones Hidráulicas en el Punto 5 después de la rápida

Q real

Q asumido

Diferencia

0.100

0.100

0.000

DATOS PRINCIPALES Y5

0.35

0.345

Q

0.10

m3/s

B

0.00

m

Z

0.75

u

S

0.48%

u

n

0.014

tabla

BL

0.3

asumido/dato

RELACIONES

Am

0.092

m2

Pm

0.875

m

Rh

0.105

relación

H

0.65

m

T

0.5

m

W

1.0

m

Vel

1.10

m/s

D

0.175

m

F

0.84

SUBCRITICO

Fuente: Elaboración Propia

Finalmente con los datos expuestos se calcula la longitud de transición entre el resalto y el canal de captación después de la rápida.

T1

0.40

m

T2

0.50

m

Lt

0.45

m

α

12.5

°

Lt

0.50

m

T1: Espejo de Agua en de la Rapida T2: Espejo de Agua despues de la Rapida Lt: Longitude de Transición

5.1.5. DISEÑO DE TUBERIA DE CONDUCCIÓN Para el diseño de la tubería a presión usaremos la ecuación de hazem – Williams

Q: Caudal en m3/seg

𝑄𝑄 = 0.2785. 𝐶𝐶ℎ. 𝐷𝐷2.63 . 𝑆𝑆 0.54

Ch: coeficiente del material del tubo (Ch 120 para el caso de acero galvanizado) D: Diámetro S: Pendiente

Q

0.10 m3/sg

Ch

120

D

0.17 m

S

11.43%

De los cálculos obtenidos se concluye que aplicando la ecuación de hazem – Williams, para un cauda Q = 0.10 m3/s, se requiere un diámetro de tubería de 0.17 m que para facilitar temas de proceso constructivo se considerara d = 0.20 m

5.2. ELECCIÓN Y PROPUESTA DEL SISTEMA DE RIEGO PARA EL PROYECTO Los sistemas de riego por micro aspersión suministran el agua a los cultivos en forma de lluvia artificial. La aspersión se aplica generalmente en cada árbol. Los micros aspersores deben seleccionarse con gastos adecuados para evitar encharcamientos y escurrimientos de agua. El micro aspersor y/o micro jet riega un espacio más amplio y más uniforme dentro de la zona radicular de los árboles. CARACTERÍSTICAS MÁS IMPORTANTES: Instalación más sencilla que el riego por goteo. Se pueden aplicar fertilizantes a través del sistema. En el método de riego por aspersión, el agua se aplica sobre la superficie del suelo, de forma parecida a la lluvia. La aspersión se obtiene al impulsar el agua a presión a través de pequeños orificios o boquillas. Generalmente la presión se obtiene por bombeo del agua, aunque puede lograrse por gravedad si la fuente de abasto es bastante elevada con relación al área regada. El agua puede aplicarse uniformemente, a un gasto calculado según la capacidad de absorción del suelo, si se tiene cuidado en la selección de las boquillas, el caudal, la presión necesaria y el espaciamiento adecuado de los aspersores, se elimina de esa manera el escurrimiento y el daño resultante al suelo y los cultivos, logrando una adecuada distribución en el reparto del agua. El riego por aspersión puede adaptarse a la mayor parte de las condiciones climáticas donde la agricultura de regadío es posible; sin embargo, en algunas regiones se presentan problemas debido a temperaturas

extremadamente altas y a la considerable velocidad del viento, donde estas condiciones hacen difícil lograr una buena uniformidad y adecuada eficiencia de aplicación del agua. El uso del método de aspersión también es objetable cuando el agua para riego contiene grandes cantidades de sales solubles, aunque existen formas de atenuar el efecto de las sales sobre el follaje. ANÁLISIS DE COSTOS: El sistema de riego por micro aspersión tiene un costo aproximado de 3 500 $ por Ha. (costos brindados por la empresa HERTS Perú) El sistema de riego por goteo tiene un costo aproximado de 4 500 $ por Ha. (costos brindados por la empresa OLIVOS de Colombia) Tabla N° 48: Aspersores más comunes utilizados en el riego agrícola

Fuente: Ministerio de Agricultura CAPACIDAD DEL SISTEMA: La capacidad que se requiere de un sistema de aspersión depende del tamaño del área de riego, la lámina de aplicación y el tiempo neto de riego diario.

Dónde: Q = Caudal del sistema (m3/h) A = Área (Ha) Nb = Norma bruta (m3/Ha) I = Intervalo entre aplicaciones (días) T = Tiempo de riego neto. (Horas) Los valores I y T afectan directamente la inversión en equipos del sistema, mientras mayor sea este producto, menor será la capacidad del sistema. El intervalo entre riegos depende de condiciones agroclimáticas de cada lugar y cultivo mientras que para determinar el tiempo de riego neto hay que tener en cuenta la disponibilidad de mano de obra y la posibilidad del riego nocturno. Tabla N° 49 Tabla de Permeabilidad de los suelos según su textura

Fuente: Ministerio de Agricultura INDICE DE GROSOR Cada aspersor tiene un rango de presión óptima para cada boquilla, para una misma boquilla si se baja la presión el aspersor riega con gotas gruesas, si la presión se aumenta las gotas serán finas. El grosor de las gotas se determina por el índice de grosor (IG). Para calcular IG se tendrá en cuenta la presión y el diámetro con la boquilla seleccionada.

Dónde: IG = Índice de grosor de la gota H = Presión del aspersor (kg/cm2) D = Diámetro de la boquilla principal del aspersor (mm) Es recomendable que el índice de grosor esté entre 7 y 17. Valores menores que 7 indican gotas demasiado gruesas y valores mayores que 17 gotas demasiado finas. La distribución del agua puede verse afectada negativamente con tamaños de gotas extremos. Las gotas gruesas pueden destruir la estructura del suelo, mientras que las gotas fina son fácilmente arrastradas por el viento facilitando la evaporación y disminuyendo la eficiencia. Para conocer mejor el modo de regar, se hace el análisis del área regada, dividiendo la zona en tres partes: Zona media: Pluviómetros cuyo volumen está comprendido entre el 90 y el 110% de la media. Zona con exceso de agua. Corresponde a zona cuyos pluviómetros es superior al 110% de la media. Zona con defecto de agua, correspondiente a los pluviómetros cuyo volumen es inferior al 90% de la media. ESPACIAMIENTO ENTRE ASPERSORES La presión del aspersor y el viento afectan significativamente el patrón de distribución en los aspersores. Solo una combinación adecuada de diámetro de la boquilla y presión garantiza una distribución adecuada. En riego por aspersión se estima que los coeficientes de uniformidad (CU) deben ser los siguientes Tabla N° 50 Coeficientes de Uniformidad

Fuente: FAO Las normas siguientes recomendadas por la FAO, se refieren al análisis zonal y al Coeficiente de Christiansen, en función de la separación entre plantas (promedio entre las hileras y a lo largo de las mismas). Tabla N° 51 Coeficiente de Christiansen en función a la Separación entre plantas

Fuente: FAO Si no se tienen datos de la evaluación del aspersor y el CU para distintos espaciamientos, el siguiente criterio de espaciamiento máximo puede aplicarse en los proyectos: Esquema cuadrado: Vientos entre 0 a 8 Km. /hora, espaciamiento = al 70% del diámetro de riego. Vientos entre 8 a 10 Km./hora, espaciamiento = al 55% del diámetro de riego Vientos entre 10 a 13 Km./hora, espaciamiento = al 50% del diámetro de riego. Vientos entre 13 a 30 Km./hora, espaciamiento = al 30% del diámetro de riego Los espaciamientos entre aspersores (Ea) y entre laterales (El), son estimativos calculándose diagonal por la formula siguiente: la distancia

La longitud del tubo elevador depende del caudal del aspersor, Tabla N° 52 Longitudes mínimas recomendadas para el elevador

Fuente: Ministerio de Agricultura Con el aspersor preseleccionado se determina el tiempo de riego neto, este depende del caudal del aspersor, de la demanda del cultivo, de la eficiencia de aplicación según las condiciones climáticas y de la demanda del cultivo. La intensidad de aplicación del aspersor se determina por:

Dónde: Qasp = Caudal del aspersor (lps) Ea = Espaciamiento entre aspersores (m) El = Espaciamiento entre laterales (m) Ia = Intensidad de aplicación del aspersor (mm/h) Tabla N° 53 Valores de la eficiencia de aplicación para distintas condiciones climáticas

Fuente: FAO Puede utilizarse la fórmula de Hazen-William multiplicando el valor obtenido de Hf por 1,20 para tener en cuenta las perdidas en las uniones y derivaciones:

Dónde: S = Perdidas de carga (m / m) Q = Caudal (m3 / s) D = Diámetro (m) Coeficiente C. Tuberías de plástico nuevas 150 Tuberías de aluminio 125 Tuberías de acero nuevas 120

CAPITULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El proyecto se concibió inicialmente para producir 100 ha de palta en el distrito de Luricocha, provincia de Huanta Departamento de Ayacucho, considerando solamente la Disponibilidad Hídrica de la Precipitación. Sin embargo se comprobó que usando solo este recurso no es suficiente para poder satisfacer la demanda que se requiere. Por tal motivo, la hipótesis planteada, que consiste en proponer un sistema de riego que es abastecido por obras de captación y conducción hidráulica para garantizar la producción de palta es viable. La obras captación que se han tomado en cuenta para este proyecto son una Bocatoma y un Desarenador. Mientras para las obras de Conducción tenemos a un canal triangular, una rápida que fue necesaria incorporar debido a la accidentada geografía y una tubería cerrada la cual desemboca finalmente al sistema de irrigación. Con respecto a la Bocatoma, la captación fue, inicialmente, desarrollada bajo el modelo de Bocatoma Convencional de Montaña, pero después de hacer varios desarrollos de este sistema se pudo llegar a la conclusión que la Bocatoma del Tipo Tirol es la que mejor se acomodaba a nuestro proyecto puesto que los caudales de máximas avenidas son pequeños comparados frente a otros proyectos de irrigación. De esta manera utilizar ese tipo de captación ayuda a captar la mayor cantidad de agua de una forma más eficiente El diseño del Desarenador se planteó bajo los criterios del ANA. Se consideró una altura de fondo del desarenador de 2 metros, una vez calculadas las velocidades de decantación, se diseñan las pendientes, tanto lateral y longitudinal; y se cierra el diseño con el almacenamiento de lodos. El canal de Conducción se determinó, por temas de eficiencia, que sea Triangular. Esto se debe a que este tipo de obra hidráulica trabaja mejor para caudales bajos como es nuestro caso y también evita que se genere mayor sedimentación que un canal Trapezoidal o Rectangular. Se determinó que el Caudal de Máximas Avenidas, considerado para el diseño de la Bocatoma Tipo Tirol fuese de 1.00 m3/s y se considere un Tiempo de Retorno de 25 años según lo recomienda la Autoridad Nacional del Agua (ANA) para proyectos agrícolas como es este el caso.

Los caudales medios mensuales se obtuvieron en base a la data proporcionada por el Proyecto de Afianzamiento Hídrico Huanta – Luricocha

Elaborado por el Ministerio de Agricultura y el

Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA). Estos datos fueron corregidos por dos factores. El primero fue en función de las áreas de cuenca y en el segundo factor se tomó en cuenta la corrección por Precipitaciones. El uso consuntivo se calculó en función a la Evapotranspiración Potencial, que fue estimada mediante los métodos de Penman-Monteih modelado bajo el Software CROPWAT, Thorntwaite, Malmstrom y el Atlas de Evapotranspiración. Se realizaron 2 Balances Hídricos. El primero en condiciones actuales, en el cual se demuestra que el Uso Consuntivo de la palta para 100 ha, solo es cubierto por la precipitación existente en el mes de Enero. Los otros 11 meses se encuentran en déficit. Esto nos hace llegar a la conclusión de que se requiere captar agua del río para poder satisfacer dicha demanda. Para saber cuánta agua se requiere tomar del río mensualmente, se realizó el segundo Balance Hídrico, el cual mostro que el caudal necesario para cubrir la demanda solicitada es de 0.10 m3/ s. Sin embargo este caudal puede ser proporcionado por el río todos los meses excepto Agosto y Septiembre, meses en los cuales es época de estiaje. Por tal motivo, para poder solucionar este problema se plantea proponer un reservorio que almacene el volumen necesario para garantizar la producción todo el año. Este reservorio como mínimo tiene que almacenar 51840 m3 / mes Se recomienda usar un sistema de micro aspersión como sistema de riego, esto debido a que distribuye de manera más eficiente el agua empleada, en forma de lluvia, Sin embargo cabe mencionar que esto sirve para una primera etapa de crecimiento de la planta de palta. Puesto que cuando alcanza cierta altura se tendrá que realizar un estudio de mayor alcance a este para determinar si el método que se propone sigue siendo igual de eficaz.

BIBLIOGRAFÍA AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA (2010): Manual: Criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico. BREÑA PUYOL, Agustín Felipe (2004), Precipitaciones y recursos Hidráulicos GOOGLE EARTH: Manual Guía para Usuarios. JARA, Jorge; VALENZUELA, Alejandro (1998): Desarrollo de Sistemas de Riego en el Secano Interior y Costero. Componente Nacional: Capacitación y Difusión de Tecnologías de Riego. Chillán. KOHLER PAULUS, Linsley (1997), Hidrología para Ingenieros. LOSADA, A. 1988. El Riego Fundamentos hidráulicos. Mundi-Prensa. España MONSALVE, Germán (1999): Hidrología en la Ingeniería 2nda Edición. Colombia: Editorial Alfaomega Grupo Editor S.A. ORGANIZACIÓN METEOROLÓGICA MUNDIAL (2011): Guía de prácticas hidrológicas sexta edición. Suiza. VILLON BEJAR, Máximo (2005) Diseño de Estructuras Hidráulicas VILLON BEJAR, Máximo (2007) Hidráulico de Canales

GLOSARIO

ABASTECIMIENTO: suministro o fuente de agua por medio de una fuente natural o artificial que puede ser captada para diferentes fines. ANCLAJE: mecanismo que se utiliza para contrarrestar los empujes que se presentan en los cambios de dirección (verticales y horizontales) de la tubería. ATRAQUE: dispositivo que permite asegurar la tubería en sectores de alta pendiente y donde se dificulte la instalación subterránea, se usa como complemento con anclajes de concreto o metálicos, para evitar desplazamientos o colapsos. BOCATOMA: término genérico utilizado para las obras de captación, derivación o toma en un río o quebrada en que se desvía agua para una presa o acueducto. CAPTACIÓN: Conjunto de estructuras necesarias para obtener el agua de fuente de abastecimiento. CATASTRO DE REDES: Inventario de las tuberías y accesorios existentes incluida su localización, diámetro, profundidad, material, y año de instalación. CODO: se emplea como accesorio para cambios de dirección horizontal o vertical de la línea de tubería. DESARENADOR: Cámara destinada a la remoción de las arenas y sólidos que están en suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación. GOLPE DE ARIETE: oscilación del agua en un conducto cerrado por cambios bruscos de la velocidad del flujo.

LODO: conjunto de sedimentos de mayor tamaño que se precipitan gracias a su peso propio. REDUCCIÓN: se emplea como accesorio para cambios de diámetro de la línea de tubería. TÉ: se emplea como accesorio para derivaciones y/o cambios de diámetro de la línea de tubería. VÁLVULA DE CORTE O CIERRE: se coloca al comienzo o al final de la línea de tubería. También previo estudio de la necesidad técnica o a lo largo de la misma. VÁLVULA DE PURGA O DESAGÜE: se debe ubicar en los puntos bajos de la línea de tubería. VÁLVULA DE VENTOSA O DE AIRE: se debe colocar en los puntos altos de la línea de tubería para facilitar la salida del aire que se acumula durante el funcionamiento o en su llenado. También para la entrada del aire, en las descargas de la tubería o por rotura. VÁLVULA PARA QUIEBRE DE PRESIÓN: tiene por objeto reducir la presión aguas abajo, hasta la presión atmosférica, con el fin de limitar las presiones en las instalaciones localizadas aguas abajo.

15

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

Pág. 17

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.6.1 1.6.2

EL PROBLEMA LÍNEA TÍTULO DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos

19 19 19 19 20 20 22 22 23

2. 2.1

24 24

2.1.1 2.1.2 2.2 2.3 2.4

MARCO REFERENCIAL MARCO TEÓRICO Conocimiento del sistema del acueducto y de la calidad del servicio Condiciones topográficas, geotécnicas y sísmicas MARCO CONCEPTUAL MARCO NORMATIVO MARCO CONTEXTUAL

27 27 28 31 33

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

METODOLOGÍA DISEÑO DE INVESTIGACIÓN OBJETO DE ESTUDIO INSTRUMENTOS VARIABLES

36 36 38 38 39

4. 4.1 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.1.4 4.1.1.5 4.1.1.6 4.1.2 4.1.2.1

TRABAJO INGENIERIL DESARROLLO Fase 1 Características del municipio Ubicación Historia Características socioeconómicas Características metereologicas Geografía y medio ambiente Descripción de la topografía y suelos Fase 2 Diagnostico de la estructura Características físicas y operativas

40 40 40 40 40 44 45 46 48 50 50

4.1..2.2 4.1.3 4.1.3.1 4.1.3.2 4.1.3.3 4.1.3.4 4.1.3.5 4.1.3.6 4.1.3.7 4.1.3.8 4.1.4 4.1.4.1 4.1.4.2 4.1.4.3

Sistema de tratamiento Fase 3 estudio de la demanda Recopilación de censos Estimación de la población Periodo de diseño Obtención del consumo neto Perdidas de agua Consumo total Caudal de diseño Obtención de la proyección de la demanda Fase 4 diseño de ingeniería Diseño de las estructuras de captación y de conducción Obras optimizadas Presupuestos

56 56 56 57 60 61 62 63 63 67 68 68 238 239

5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

COSTOS TOTALES DE LA INVESTIGACIÓN RECURSOS MATERIALES RECURSOS INSTITUCIONALES RECURSOS TECNOLÓGICOS RECURSOS HUMANOS OTROS RECURSOS RECURSOS FINANCIEROS

244 244 244 244 245 245 246

6.

CONCLUSIONES

248

7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES PROCESO CONSTRUCTIVO RECOMENDACIONES MANTENIMIENTO RECOMENDACIONES FUNCIONAMIENTO BOCATOMA RECOMENDACIONES FUNCIONAMIENTO DESARENADOR RECOMENDACIONES ADAPTACIÓN TANQUE DE ALMACENAMIENTO

250 250 250 252 252 253

BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

9

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1.

Proyectos de grado que tratan sobre acueductos y alcantarillados

22

Tabla 2.

Glosario

28

Tabla 3.

Normatividad para el diseño de un acueducto

32

Tabla 4.

Identificación de variables

39

Tabla 5.

Censos realizados por el DANE

57

Tabla 6.

Asignación del nivel de complejidad RAS (2000)

60

Tabla 7.

Periodos máximos de diseño RAS (2000)

60

Tabla 8.

Rangos de valores de consumo residencial RAS (2000)

61

Tabla 9.

Variación de la dotación neta según el nivel de complejidad del sistema RAS (2000)

62

Tabla 10.

Porcentajes máximos admisibles de perdidas técnicas

63

Tabla 11.

Coeficientes de consumo máximo diario, k1 según el nivel de complejidad del sistema RAS (2000)

65

Coeficiente de mayoración del caudal máximo horario en relación con el máximo diario para redes de distribución (RAS 2000)

65

Tabla 13.

Proyección de la demanda

67

Tabla 14.

Perfil aducción y conducción tramo 1 Aguas Claras.

145

Tabla 15.

Perfil conducción tramo 2 Aguas Claras.

157

Tabla 16.

Perfil conducción tramo 3 Aguas Claras

Tabla 12.

164 Tabla 17

Perfil conducción Tramo 1 Camenzo

174

Tabla 18.

Perfil conducción tramo 2 Camenzo.

Pág. 183

Tabla 19.

Perfil conducción tramo 1 cruce Vereda Sabaneta – tanque de almacenamiento

194

Perfil conducción tramo 2 cruce Vereda Sabaneta – tanque de almacenamiento

206

Perfil conducción tramo 3 cruce Vereda Sabaneta – Tanque de almacenamiento

219

Tabla 22.

Presupuesto general de obra

239

Tabla 23.

Presupuesto de recursos materiales

2244

Tabla 24.

Presupuesto de recursos tecnológicos

245

Tabla 25.

Presupuesto de recursos humanos

245

Tabla 26.

Presupuesto de viáticos

246

Tabla 27.

Presupuesto de bibliografía

246

Tabla 28.

Presupuesto de transporte

246

Tabla 29.

Presupuesto recursos financieros

247

Tabla 20.

Tabla 21.

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.

Ubicación geográfica del municipio de Timaná (Huila).

35

Figura 2.

Fotografía Bocatoma Quebrada Aguas Claras

52

Figura 3.

Fotografía desarenador Bocatoma Aguas claras

52

Figura 4.

Fotografía Bocatoma Quebrada Camenzo

53

Figura 5.

Fotografía desarenador Bocatoma Camenzo

54

Figura 6.

Fotografía tanque de almacenamiento

55

LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo A.

Plano de localización Municipio de Timana

256

Anexo B.

Perfil aducción y conducción tramo 1 Aguas Claras

257

Anexo C.

Perfil conducción tramo 2 Aguas Claras

258

Anexo D.

Perfil conducción tramo 3 Aguas Claras

259

Anexo E.

Perfil aducción y conducción tramo 1 Camenzo

260

Anexo F.

Perfil conducción tramo 2 Camenzo

261

Anexo G. Perfil conducción tramo 1 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento Anexo H.

Perfil conducción tramo 2 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

Anexo I.

Perfil conducción tramo 3 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

Anexo J.

Perfil conducción tramo 3 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

Anexo K.

Plano de los detalles de la captación Quebrada Aguas Claras

262

263

264 265

266

Anexo L . Plano de los detalles desarenador Quebrada Aguas Claras

267

Anexo M. Plano de los detalles de la captación Quebrada Camenzo

268

Anexo N.

269

Plano de los detalles desarenador Quebrada Camenzo

Anexo O. Detalles cámara de quiebre

270

Anexo P.

271

Detalles válvulas y colocación tubería

INTRODUCCIÓN

El futuro del ingeniero Civil se encuentra enmarcado por la entrega al servicio de la comunidad; en busca de soluciones técnicas y científicas con el fin de planear, diseñar y construir proyectos que cuenten con las exigencias de calidad optimas para satisfacer las necesidades de la sociedad; contribuyendo así al mejoramiento de la calidad de vida y que no afecte negativamente el desarrollo de los recursos naturales teniendo así un control del ambiente.

Todo sistema de abastecimiento de agua se proyecta de modo de atender las necesidades de una población durante un periodo determinado. Cuando dichos sistemas no satisfacen con los objetivos específicos sujetos a impedimentos y restricciones que afectan de algún modo al funcionamiento ya sea por el deterioro de sus estructuras y crecimiento de la población, se hace necesario evaluar y diseñar nuevas alternativas que puedan corregir problemas y dar soluciones al sistema.

Por esta razón se enfocó el trabajo de grado como un proyecto que busco suplir la necesidad de suministrar un volumen suficiente de agua, para la distribución adecuada de agua potable con la presión apropiada, desde la fuente de suministro hasta los consumidores para sus determinados usos. En consecuencia de ello se

evaluó la ubicación y naturaleza de las fuentes de abastecimiento así como de la topografía de la región para establecer criterios que sirvieron para una buena valoración de las alternativas de diseño y ofrecer estructuras funcionales a bajos costos económicos.

Por lo tanto este proyecto se centra en el rediseño y ampliación del acueducto para el Municipio de Timaná (Huila), con el fin de aportar mejoramiento en la condiciones de vida de los habitantes de la zona. El diseño busca desarrollar opciones tanto técnicas como económicas viables y que se ajusten a las condiciones que presenta el sector.

18

1. EL PROBLEMA

1.1 LÍNEA

El presente proyecto no corresponde a ninguna de las líneas de investigación de la facultad, por ser un trabajo de extensión a la comunidad.

1.2 TÍTULO

Optimización del acueducto por gravedad del Municipio de Timaná (Huila).

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Algunas poblaciones de Colombia como San Agustín, Bruselas, Saladoblanco y Timaná (Huila), no cuentan con un servicio eficiente de agua que satisfaga totalmente a los pobladores, conociendo que nuestro país tiene numerosas fuentes de agua dulce que podrían ser utilizadas de manera racional y eficiente para el consumo humano, es triste saber que hay comunidades que cuentan con el recurso hídrico para suplir sus necesidades básicas humanas como alimentación, higiene, salud, trabajo y vivienda.

Y no tienen una infraestructura optima que cumpla con los requisitos para abastecer a estas personas sin presentar ningún tipo de falla; de acuerdo ha esto tienen que acoplarsen a soluciones momentáneas y que en algunos casos son perjudiciales para la salud humana.

Debido al mal funcionamiento y mantenimiento del sistema de abastecimiento de agua potable del municipio de Timaná (Huila), se han visto obligados a efectuar una serie de racionamientos en todos los barrios del municipio con el fin suministrar el servicio a la totalidad de los usuarios.

Este proyecto da solución a las necesidades que presentaba la comunidad del municipio de Timaná (Huila), en cuanto se mejora la provisión en cantidades adecuadas del servicio de agua potable, evitando así inconvenientes para los usuarios como para la estructura del sistema.

1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Cómo mejorar el servicio de agua potable en el municipio de Timaná (Huila)?

1.5 JUSTIFICACIÓN

Un acueducto es construido para prestar de una manera eficiente el servicio de agua potable, ya que en cualquier comunidad es un derecho de suma importancia 20

disponer de un sistema de aprovisionamiento de agua que satisfaga sus necesidades vitales.

El contar con este recurso para lograr desarrollar sus actividades cotidianas sin ningún tipo de problema que pueda obstaculizar tanto el progreso económico como social del municipio. Además el sistema de abastecimiento de agua es proyectado para atender las necesidades de una comunidad durante un determinado periodo, por lo tanto es necesario evaluar cada una de las variables que interviene en el funcionamiento del sistema en el momento en el que se presenten fallas en la prestación de servicio.

Las siguientes son las razones por las cual se realizo este proyecto:

•

Porque el crecimiento de la población asociado con el desarrollo económico de la localidad produce un incremento en el consumo percápita.

•

Con el fin de obtener un comportamiento satisfactorio de la fuente de abastecimiento agua.

•

Ya que la vida útil de algunas de las estructuras llego a su fin por lo tanto es necesario volver a proyectar y construir un sistema flexible y eficiente.

•

Debido a los cortes de agua que se venían efectuando con el fin de logra una equidad en el suministro de agua potable.

21

ANTECEDENTES

Tabla 1. Proyectos de grado que tratan sobre acueductos y alcantarillados. TITULO Diseño y recomendaciones de alcantarillados sanitarios y de aguas lluvias: canales e intercolectores del Río Nuevo Diseño y presupuesto de los alcantarillados de aguas lluvias y negras y pavimento del barrio Jiménez de Quesada (Bosa). Diseño de las redes de acueducto y alcantarillado de la florida Analaima. Alcantarillado de aguas lluvias para los barrios de San Luis, Vaney y La Regadera.

AUTOR José Joaquín Bernal Rodríguez y Guillermo Méndez Rey

AÑO 1964

Carlos Eduardo Montanez y Hugo Segura

1979

Mauricio Gómez

1979

Mario Rodríguez Bermúdez

1980

Diseño de redes de alcantarillado por computador. Diseño y construcción del sistema de alcantarillado troncal torca del sector nororiental de Bogotá, D.C. La construcción del sistema de alcantarillado y la canalización de las corrientes de agua en Bogotá, D.C. 1890-1930 Construcción del alcantarillado independiente sanitario y pluvial (aguas lluvias)en el barrio Urania en el municipio de mitú – Vaupés.

Libia Zuluaga Arbeláez

1990

Nuvia Marlen Arévalo

1998

Mónica Cárdenas

2001

Oscar Javier Acuña Correa

2003

1.6 OBJETIVOS

1.6.1 Objetivo general

22

Optimizar el acueducto del Municipio de Timaná (Huila).

1.6.2 Objetivos específicos

•

Diagnosticar

las

condiciones

de

funcionamiento

del

sistema

de

abastecimiento de agua con el objeto de optimizarlo. •

Estudiar la disponibilidad en cantidad del agua de las fuentes de abastecimiento.

•

Diseñar las estructuras del nuevo sistema de abastecimiento de agua.

•

Obtener cantidades de obra, costos de ciclo de vida y tiempo de construcción de sistema.

23

2. MARCO REFERENCIAL

2.1 MARCO TEÓRICO

Proveer una adecuada cantidad de agua ha sido un asunto que ha inquietado desde los principios de la civilización. Aun en las antiguas ciudades, los abastecimientos locales era eran con frecuencia inadecuados y los acueductos eran construidos para transportar agua desde fuentes lejanas. Tales sistemas de abastecimientos no distribuían agua a las residencias individuales sino que las llevaban hasta unos pocos lugares centrales desde donde los ciudadanos podían llevarla hasta sus hogares.

Hasta mediados del siglo XVII no se disponían de tuberías que pudieran soportar altas presiones. Se utilizaban tuberías hechas de madera, arcilla o plomo, pero generalmente estaban ubicadas de acuerdo con la línea de gradiente hidráulico. El desarrollo de la tubería de hierro fundido y la reducción gradual de sus costos, junto con el desarrollo y mejoramiento de las bombas de vapor, hicieron posible que pequeñas comunidades pudieran crear abastecimientos públicos de agua que permitieron llevarla a cada residencia.

El agua, bien sea sacada de la superficie o de fuentes subterráneas, deben ser transportadas a la comunidad y distribuida a los usuarios. El transporte desde la

fuente al punto de tratamiento puede ser proveído por acueductos, tuberías o canales abiertos, pero una vez ha ido tratada, el agua es distribuida mediante conductos cerrados presurizados.

El término acueducto se refiere usualmente a conductos construidos de mampostería y hechos con la pendiente hidráulica. Tales estructuras son operadas a presión atmosférica y, a menos que la pendiente hidráulica disponible sea muy grande, tienden a ser mayores y más costosas que las tuberías operadas bajo presión.

Entre las ventajas de los acueductos están la posibilidad de construcción con materiales locales disponibles, más duración que los conductos de metal y menor perdida de capacidad hidráulica con el tiempo. Entre las ventajas están la necesidad de proveer la máxima capacidad inicialmente y la posibilidad de interferencia con el drenaje local

Las fuentes de agua superficiales están sujetas a grandes variaciones en flujo, calidad y temperatura, las estructuras de captación deben estar diseñadas para que el flujo requerido pueda ser usado a pesar de estas fluctuaciones naturales.

Para localizar las captaciones se debe considerar con anticipación variaciones en el nivel del agua, requerimientos de navegación, corrientes locales, patrones de

25

deposición y de socavación de sedimentos, variaciones espacio-temporales en la calidad del agua, y cantidad de desechos flotantes 1 .

Para la captación de aguas en ríos, existen dos casos:

•

Si la cantidad de agua por utilizar es muy pequeña, basta tomar

directamente construyendo a unos dos metros de la orilla del río una caja o tanque que tenga su base a un metro más por debajo que el nivel mínimo de las aguas en estiaje y épocas de máxima sequía. El orificio de entrada según su diámetro podrá tener un colador o una compuerta que permita regular la entrada de agua, según las necesidades del servicio; cuando el agua deba elevarse, en sus orillas se instalarán las bombas de elevación. •

Si el agua no se toma directamente del río sino de excavaciones hechas en

terrenos aledaños, constituidos por materiales de acarreo que constituyen excelentes capas filtrantes, se excavan pozos en estos terrenos donde se encontrará agua abundante a poca profundidad, con la ventaja de que ha sufrido una filtración por consiguiente es de mayor pureza que la que corre por el río. •

Cuando se trate de grandes abastecimientos de agua, es necesario recurrir

al embalse de aguas para construir un gran recipiente de alimentación, instalado la toma en el interior del embalse, de modo que la carga de agua tenga una altura

1

TERENCE J, Mcghee. Abastecimiento de agua y alcantarillado ingeniería ambiental. Bogotá.2001. 6 ed. P 2,112.

26

suficiente que asegure, en todo caso, la entrada de volumen previsto de liquido a la tubería de toma 2 .

2.1.1 Conocimiento del sistema de acueducto y de la calidad del servicio

Con el fin de hacer un acueducto es necesario saber como opera en general el sistema de acueducto y qué elementos principales lo conforman; además, es importante tener un conocimiento detallado del sistema de tratamiento de agua ( caudal medio producido y su variación a lo largo del día, calidad de agua, etc.) y del sistema de almacenamiento, de volumen y ubicación debe ser suficiente para compensar las variaciones horarias de la demanda de agua.

Cuando se tienen valores de presiones de servicio mayores a 15 metros de columna de agua (1m.c.a = 1 ton /m2 = 0.1 Kg / cm2 ) se dice que se tiene una buena calidad del servicio; los otros parámetros asociados con un buen servicio son la continuidad en el suministro y la calidad de agua entregada al usuario.

2.1.2 Condiciones topográficas, geotécnicas y sísmicas

Además del conocimiento del sistema de acueducto y de la red de la distribución existente, los estudios previos deben proveer información topográfica, geotécnica 2

PRIETO BOLIVAR, Carlos Jaime. El agua: Sus formas, efectos abastecimiento, daños y conservación. Bogotá. 2004. 2 ed. P 42. Ecoe ediciones.

27

y sísmica del municipio, planos de catastro de la infraestructura de otros servicios públicos, planos en la red vial, planos IGAC a escala 1:2000 (si existen) y fotografías aéreas que incluyan el área a ser servida.

La información geotécnica se refiere a las características del subsuelo en la zona donde se realizara el trazado de la red de distribución, tomada de los planos geológicos, de información de campo o de estudios

o diseños de viviendas,

infraestructura vial y otros servicios. Deben identificarse las zonas de falla y las propensas a deslizamientos e inundaciones 3 .

2.2 MARCO CONCEPTUAL

Conceptos básicos para la optimización de un acueducto basados en el REGLAMENTO TÉCNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BÁSICO (RAS 2000).

Tabla 2. Glosario TÉRMINO

DEFINICION

Accesorios

Elementos componentes de un sistema de tuberías, diferentes de las tuberías en sí, tales como uniones, codos, tes etc. Derivación de la red local de acueducto que llega hasta el registro de rueda en el punto de empate con la instalación interna del inmueble. En edificios de propiedad horizontal

Acometida

3

COLOMBIA. MINISTERIO DE DESARROLLO ECONÓMICO. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico, Planeamiento y diseño hidráulico de redes de distribución de agua potable. Cáp 1. p 14-16. Bogotá 2000.

28

Acueducto Acuífero

Aducción

o condominios, la acometida llega hasta el registro de corte general. Sistema de abastecimiento de agua para una población. Formación geológica o grupo de formaciones que contiene agua y que permite su movimiento a través de sus poros bajo la acción de la aceleración de la gravedad o de diferencias de presión. Componente a través del cual se transporta agua cruda, ya sea a flujo libre o a presión.

Agua cruda

Agua superficial o subterránea en estado natural; es decir, que no ha sido sometida a ningún proceso de tratamiento.

Agua potable

Agua que por reunir los requisitos organolépticos, físicos, químicos y microbiológicos, en las condiciones señaladas en el Decreto 475 de 1998, puede ser consumida por la población humana sin producir efectos adversos a la salud. Agua proveniente del subsuelo, indeseable para el sistema separado y que penetra en el alcantarillado. Dispositivo o equipo que permite transferir aire al agua. En sistemas de Acueducto, acción destinada a almacenar un determinado volumen de agua para cubrir los picos horarios y la demanda contra incendios. Energía suministrada por una bomba a un flujo en tuberías, expresada en términos de cabeza, obtenida como la suma de la altura estática en la succión, de las pérdidas de energía por fricción y pérdidas menores en la succión y en la impulsión, y de la presión requerida al final de la línea de impulsión. Apoyo que soporta los empujes ocasionados por el cambio de dirección en una tubería sometida a presión interna. Estructura hidráulica que capta el agua desde una fuente superficial y la conduce al sistema de acueducto. Abertura que se localiza sobre una tubería con el objeto de permitir el acceso a su interior. Dispositivo para aumentar la velocidad del agua.

Aguas de infiltración

Aireador Almacenamiento

Altura dinámica total

Anclaje

Bocatoma

Boca de acceso Boquilla Borde libre

Cabeza de presión

Cama de soporte Cámara de caída

Espacio comprendido entre el nivel máximo esperado del agua fijado por el sistema de rebose y la altura total de la estructura de almacenamiento. Presión manométrica en un punto, expresada en metros de columna de agua, obtenida como la razón entre la magnitud de la presión y el peso específico del agua. Es la capa de material que sirve directamente de apoyo a la tubería. Estructura utilizada para dar continuidad al flujo cuando una tubería llega a una altura considerable respecto de la tubería de salida.

29

Cámara de succión Capacidad hidráulica

Capacidad máxima Captación

Catastro de redes

Caudal de diseño

Caudal de incendio Caudal específico de distribución

Caudal máximo diario

Caudal máximo horario

Caudal medio diario

Conducción Cota de batea Cota de clave Desarenador

Dotación Hidrante

Línea de energía

Línea piezométrica

Población de diseño

Depósito de almacenamiento de agua en el cual se encuentra la tubería de succión. Caudal que puede manejar un componente o una estructura hidráulica conservando sus condiciones normales de operación. Caudal máximo de diseño de una estructura hidráulica. Conjunto de estructuras necesarias para obtener el agua de fuente de abastecimiento. Inventario de las tuberías y accesorios existentes incluidas su localización, diámetro, profundidad, material y año de instalación. Caudal estimado con el cual se diseñan los equipos, dispositivos y estructuras de un sistema determinado. Parte del caudal en una red de distribución destinado a combatir los incendios. Caudal de distribución medio que se presenta o se estima en un área específica y definido en términos de caudal por unidad de área o caudal por unidad de longitud de tubería de distribución instalada o proyectada en el área de diseño. Consumo máximo durante veinticuatro horas, observado en un período de un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado. Consumo máximo durante una hora, observado en un período de un año, sin tener en cuenta las demandas contra incendio que se hayan presentado. Consumo medio durante veinticuatro horas, obtenido como el promedio de los consumos diarios en un período de un año. Componente a través del cual se transporta agua potable, ya sea a flujo libre o a presión. Nivel del punto más bajo de la sección transversal interna de una tubería o colector. Nivel del punto más alto de la sección transversal externa de una tubería o colector. Cámara destinada a la remoción de las arenas y sólidos que están en suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación. Cantidad de agua asignada a una población o a un habitante para su consumo en cierto tiempo, expresada en términos de litro por habitante por día o dimensiones equivalentes. Elemento conectado a la red de distribución que permite la conexión de mangueras especiales utilizadas en la extinción de incendios. Línea o elevación obtenida como la suma de la cabeza de presión, la cabeza de velocidad y la diferencia de altura topográfica respecto a un datum o nivel de referencia. Línea o elevación obtenida de la suma de la cabeza de presión y la diferencia de altura topográfica respecto a un datum o nivel de referencia. Población que se espera atender por el proyecto,

30

Población flotante

Red de distribución

Tubería

considerando el índice de cubrimiento, crecimiento y proyección de la demanda para el período de diseño. Población de alguna localidad que no reside permanentemente en ella y que la habita por un espacio de tiempo corto por razones de trabajo, turismo o alguna otra actividad temporal. Conjunto de tuberías, accesorios y estructuras que conducen el agua desde el tanque de almacenamiento o planta de tratamiento hasta los puntos de consumo. Ducto de sección circular para el transporte de agua.

Tubería de impulsión

Tubería de salida de un equipo de bombeo.

Tubería de succión

Tubería de entrada a un equipo de bombeo.

Tubería flexible

Válvulas de sectorización

Zona de presión de la red de distribución

Los materiales de tuberías que clasifican como flexibles son aquellos que derivan su capacidad de carga ante las cargas del terreno a partir de la interacción de la tubería flexible y del suelo circundante el cual trabaja por la deflexión de la tubería hasta el punto de equilibrio bajo carga. Son dispositivos que cierran el paso del agua en las tuberías de distribución, con el fin de sectorizar la red. Usualmente son válvulas de compuerta con vástago fijo o válvulas mariposa con mecanismo de reducción de velocidad de cierre para evitar golpe de ariete. Es una de las partes en que se divide la red de acueducto para evitar que las presiones mínimas, dinámica y máxima estática sobrepasen los límites prefijados 4 .

2.3 MARCO NORMATIVO

La normatividad contemplada para la elaboración del diseño del sistema de acueducto se baso en las NORMAS TECNICAS COLOMBIANAS (NTC) Y REGLAMENTO TÉCNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BÁSICO (RAS 2000). 4

COLOMBIA. MINISTERIO DE DESARROLLO ECONÓMICO. DIRECCIÓN GENERAL DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BÁSICO. Bogotá 2002: CD Multimedia de RAS 2000.

31

Tabla 3. Normatividad para el diseño de un acueducto AÑO

1998

2000

2002

PRESENTACIÓN

Decreto No. 475 de Marzo 10

Resolución No. 1096 del 17 de Noviembre

Decreto No. 849 de Abril 30

TÍTULO

OBJETO

Normas técnicas de calidad del agua potable

Este decreto contiene las normas organolépticas, físicas, químicas y microbiológicas de la calidad del agua potable o agua segura. Se dan los valores admisibles del contenido de las diferentes características que puede contener el agua, sin que ésta llegue a tener implicaciones sobre la salud humana o en algunos casos implicaciones económicas. También se presentan las pruebas de laboratorio mínimas que las personas que prestan el servicio público de acueducto deben practicar al agua, y las obligaciones de quienes estén a cargo del suministro del agua potable.

Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS

Este reglamento tiene por objeto señalar los requisitos técnicos que deben cumplir los diseños, las obras y procedimientos correspondientes al Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico y sus actividades complementarias, señaladas en el artículo 14, numerales 14.19, 14.22, 14.23 y 14.24 de la Ley 142 de 1994, que adelanten las entidades prestadoras de los servicios públicos municipales de acueducto, alcantarillado y aseo o quien haga sus veces.

Reglamentación del articulo 78 de la Ley 715 de 2001

El objeto del presente decreto reglamentario es definir los requisitos que deben cumplir los municipios y distritos en materia de agua potable y saneamiento básico, y los procedimientos que deben seguir dichos entes y la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios, SSPD, para la expedición de la certificación que permita el cambio de la destinación de los recursos que la Ley 715 de 2001 ha estipulado inicialmente para el desarrollo y ejecución de las competencias asignadas en agua potable y saneamiento básico, así como la definición de las obras elegibles a ser financiadas con dichos recursos.

32

2.4 MARCO CONTEXTUAL

Este proyecto se realizo en el municipio de Timaná (Huila), localizado al sur del departamento del Huila, limitando con lo siguientes municipios; al norte con Altamira, al sur con Pitalito, al oriente con Acevedo y Suaza y al occidente con Elías. Su extensión es de 196 kilómetros cuadrados y su altura media es de 1.100 metros sobre el nivel del mar, contando con una temperatura que oscila entre 12 y 28 grados centígrados.

Población asentada en las estribaciones de la cordillera oriental, atravesada por la vía central que comunica la capital colombiana con el sur del país, ubicada en una posición estratégica inmejorable por sus paisajes, clima, fertilidad de sus tierras y calidad de su gente.

Su principal recurso hídrico es el río Timaná que recorre su territorio por 32 kilómetros, así mismo las quebradas Camenzo y Aguas Claras que surten el municipio de agua para el acueducto local; otras microcuencas están conformadas por las quebradas Sicana o Minchala, Piragua o Maria Herrera, La Tigrera, Tobo, Cristales o las Vueltas, Jundiche, Las Bolsas, Colorada, Seca o Guinea, Cabuyos y Santa Bárbara.

33

No hay registros sobre el caudal de las corrientes hídricas pero es evidente la disminución de caudales; Timaná ha realizado una importante compra de reservas forestales buscando mitigar la tala indiscriminada de bosques y la deforestación en general. Normalmente no se cumplen los parámetros de ley sobre los límites en las márgenes de las vertientes hídricas, se utiliza el terreno en una explotación irracional hasta el borde de las quebradas y ríos.

Las explotaciones agropecuarias inciden en un alto nivel en la contaminación ambiental de Timaná, se debe concientizar la población del enorme impacto negativo para la calidad de vida futura que genera la actividad económica inconsciente, se debe tener la “Responsabilidad intergeneracional”, es decir la responsabilidad con las próximas generaciones.

Timaná presenta la falta de reforestación, la extinción de especies de fauna y flora, el manejo de residuos sólidos y líquidos es un problema grave en el Municipio, los vertimientos de aguas residuales van a parar a las cuencas hidrográficas. No se cuenta con datos o registros estadísticos necesarios para hacer el seguimiento de los problemas 5 .

5

MUNICIPIO DE TIMANÁ (HUILA). Plan de Desarrollo Municipal (2004-2007), p.9.

34

Figura 1. Ubicación geográfica del municipio de Timaná (Huila).

Tomado de enciclopedia Encarta 2004 y modificado por los autores.

35

3. METODOLOGÍA

3.1 DISEÑO DE INVESTIGACIÓN

El diseño metodológico utilizado en el presente proyecto de grado fue investigación Acción. Según Muñoz “Son investigaciones en las que la recopilación de información se realiza enmarcada por el ambiente especifico en el que se presenta el fenómeno de estudio” según el mismo autor “En la realización de estas tesis se utiliza un método exclusivo de investigación y se diseñan ciertas herramientas para recabar información que solo se aplican en el medio en el que actúa el fenómeno de estudio; para la tabulación y análisis de la información obtenida, se utilizan métodos y técnicas estadísticos y matemáticos que ayudan a obtener conclusiones formales, científicamente comprobadas” 6

Las fases en las que se desarrolló el presente proyecto de investigación fueron:

FASE 1 CARACTERISTICAS DE MUNICIPIO

•

Ubicación

•

Historia

6

MUÑOZ RAZO, Carlos. Como elaborar y asesorar un investigación de tesis. México 1998. 1 ed. P 9. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.

•

Características socioeconómicas

•

Características meteorológicas

•

Geografía y medio ambiente

•

Descripción de la topografía, geología, y suelos

FASE 2 DIAGNOSTICO DE LA ESTRUCTURA

•

Características físicas y operativas del sistema

•

Sistema de tratamiento

FASE 3 ESTUDIO DE LA DEMANDA

•

Recopilación de censos

•

Estimación de la población

•

Periodo de diseño

•

Obtención del consumo neto

•

Perdidas de agua

•

Consumo total

•

Determinación caudal de diseño

•

Obtención caudal medio diario

•

Obtención coeficientes de mayoración

•

Obtención caudal máximo diario

37

•

Obtención caudal máximo horario

•

Determinación proyección de la demanda

FASE 4 DISEÑOS DE INGENIERÍA

•

Diseños de las estructuras de captación y conducción.

•

Obras optimizadas

•

Presupuesto del proyectó

3.2 OBJETO DE ESTUDIO

El objeto de estudio de la presente investigación fue la realización del diseño del acueducto por gravedad que suplirá de agua potable la comunidad de Timaná (Huila)

3.3 INSTRUMENTOS

Dentro del desarrollo del presente proceso investigativo, se determinó una secuencia de fases con la finalidad de realizar un estudio cuantitativo de datos recopilados, analizándolos con ayuda de los instrumentos presentados a continuación:

•

Reglamento del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS 2000).

38

•

Planos de estructuras, línea de conducción y red de distribución del acueducto.

•

Método de Crecimiento Geométrico para Estudio de la Demanda.

3.4 VARIABLES

Tabla 4. Identificación de variables CATEGORÍA DE ANÁLISIS

VARIABLES

INDICADORES

Captación de agua

Caudal Terreno

Población Fuente de abastecimiento Topografía

Conducción de agua

Caudal Terreno

Topografía existente

39

4. TRABAJO INGENIERIL

4.1 DESARROLLO

4.1.1 Fase 1 Características del municipio

4.1.1.1 La ubicación del municipio se realizó en el capitulo dos, correspondiente al marco contextual del presente trabajo.

4.1.1.2 Historia. Al municipio de Timaná o Villa de La Gaitana, lo caracteriza su leyenda, llena de valentía y de coraje. Esta surgió en el siglo XVII, con la presencia del hombre europeo y con la aparición de la Cacica Gaitana, heroína americana de la gran región Andakí.

Los conquistadores de la Villa de la Gaitana, llegaron al continente americano a fines de Marzo de 1534. Sebastián de Belalcazar envía inicialmente a Juan de Ampudia y a Pedro de Añasco a explorar la senda hacia el dorado. En el año de 1535 Ampudia delega en Añasco la marcha hacia el norte y él continúa hacia el occidente. Ampudia y Añasco, para cumplir la orden de Belalcazar, buscan tierras de buen clima, fértiles, de hermoso paisaje y ubicación estratégica, para fundar un Centro de Administración de toda la comarca. Así, en 1538, finalizando el año, escogen los dominios del Cacique Pigoanza, y el 18 de Diciembre de 1538, funda

Añasco en el sitio de Guacahayo o Guala, el territorio de los timaneses, denominado Guacacallo. De esta manera aparecen los españoles en el Valle del Río Timaná.

Luego de una corta ausencia, vuelve Añasco, ostentando el grado de teniente, con otros jinetes más, con gran orgullo, autoridad y ambición; reanuda Añasco la administración y pronto cambian las relaciones de los indios con los españoles, por los grandes abusos, que provocan la indignación de los nativos: les imponen tributos de grandes proporciones, los más crecidos de la conquista, debían los indios pagar el arriendo de las tierras y sufragar gastos extraordinarios de las encomiendas.

Añasco pretende también, obligarlos a rendirle continuo y permanente vasallaje; todo el oro visible debe llegar a sus manos, los indios rechazan con vigor el porvenir que les espera, ven perdida su libertad y hasta sus propiedades, son obligados a trabajos extenuantes y privados de sus sembrados; ven sus creencias, sus dioses, sus templos y sus mujeres violadas y profanadas.

Timanco, hijo de la Cacica Gaitana, inicia la rebelión contra los españoles: se niega a rendirles vasallaje, defiende sus pertenencias, sus dioses y su libertad; su

41

madre comparte y alienta esta conducta. Herido Añasco en su orgullo y su soberbia sale en busca del hijo de la Cacica de los Andakíes.

Timanco es conducido por mandato del teniente Añasco hasta el poblado de Guacacayo, donde es condenado a ser quemado vivo, para escarmiento de todo aquel que desobedezca las órdenes que van en nombre y honor del Rey. Así, Añasco inaugura en el nuevo Reino el suplicio predilecto de los venerables padres de la Santa Inquisición.

Se cumple el juicio y la sentencia se ejecuta de inmediato en la plaza de la Villa, siendo la Gaitana testigo de la injusticia y de la crueldad a que estaba siendo sometido su hijo, conviertiéndose en la más incontenible de las venganzas.

El holocausto hincha las venas de la madre india de una sangre que hierve con violencia. De inmediato, la Cacica empieza a visitar a los jefes de sus tribus, a pedirles y ordenar su esperanza de que Pedro de Añasco sea entregado vivo.

Queda Añasco en poder de sus adversarios, es llevado ante Pigoanza, quien lo remite ante la Cacica Gaitana. La multitud estropea al cautivo, lo azota. Empieza la Cacica su venganza, sacándole los ojos, y, con su propia mano perfora la

42

mandíbula por debajo de la lengua y lo ata de ahí con una soga, para llevarlo de cabresto por toda la comarca.

La cacica pregona en todas partes las fechorías del criminal que lleva como una bestia. Finalmente, la indiada mutila sus miembros por partes. A los castellanos que quedaron heridos, les arrancaron los ojos y los izaron frente a las viviendas indias.

Son muchas las contingencias contra los españoles protagonizadas por los indios, precedidas por la Gaitana, que excitaba a sus guerreros en todos los ataques. Por mucho tiempo la Cacica está presente en todos los paisajes de la comarca y se constituye en la heroína de América India, la insignia del valor americano y parte valiosa de nuestra historia.

La población de Guacacayo sufre muchos embates indios, y pasados algunos años la vida es imposible aunque los españoles busquen la convivencia en una paz que los indios nunca creyeron.

43

No se sabe cuándo, ni como desapareció la Cacica Gaitana, pero sus hazañas son un permanente mensaje de Libertad, independencia y patriotismo para los pueblos de América 7.

4.1.1.3 Características socioeconómicas. El Municipio de Timaná, como integrante de la Región Sur, tiene como centro polarizador al Municipio de Pitalito en sus aspectos de Comercio, Mercadeo de productos y prestación de servicios sociales en salud, recreación, con intercambios en vínculos laborales.

Timaná se encuentra ubicado sobre la red vial nacional, lo cual le permite un acceso directo a los diferentes municipios aledaños y distantes. La comunicación con el sur del Huila, principalmente con Pitalito, es de vital importancia, considerando a Pitalito como el eje del comercio de la zona sur, a este municipio vecino, el

90 % de la población de Timaná accede a los servicios de salud

especializada.

De igual forma, la red vial nacional permite la comunicación, con el centro del país, especialmente con la ciudad de Santa fe de Bogotá, Florencia, Neiva, Cali, donde se comercializan algunos productos agrícolas que produce la región y viceversa.

7

ALCALDIA MUNICIPAL DE TIMANÀ. Plan de Desarrollo Municipal: 2004 - 2007. p. 1-3.

44

Los habitantes de la Mesa de Elías, de la Inspección de Maito, del Paso de Maito, recurren a Timaná a comercializar sus productos y a suplir sus necesidades básicas de salud, recreación y educación.

También se establecen vínculos comerciales con la vereda San Pablo de Acevedo, Gallardo de Guadalupe, quienes comercializan sus productos en Timaná, principalmente el Café. De igual forma, los habitantes del municipio de Saladoblando, Oporapa y Elias, centralizan sus operaciones bancarias en Timaná 8.

4.1.1.4 Características Meteorológicas. Según

el catalogo de estaciones del

departamento de IDEAM, Timaná cuenta con un área de 196 kilómetros cuadrados, con una altitud de 1.100 msmm, no se cuenta con una estación hidroeléctrica, 162 kilómetros cuadrados presentan clima medio y 34 kilómetros cuadrados clima frío.

El Municipio ha registrado como ecosistemas estratégicos la serranía de peñas blancas, la micro cuenca comenzó, aguas claras, Finlandia, el nacimiento del río Timaná y las micro cuencas santa clara, la Minchala, piragua, el tigre y buenos aires, todas con el objeto de proteger el recurso hídrico, en total Timaná presenta registros por 41 fuentes hídricas.

8

ALCALDIA MUNICIPAL DE TIMANÀ. Plan de Desarrollo Municipal: 2004 - 2007. p 8.

45

Es una zona de lluviosidad media, con una temperatura promedio de unos 22°C, con una altura sobre el nivel del mar en promedio de unos 1300 mts, no presenta periodos detenidos de precipitación o sequías, generalmente el periodo de invierno esta comprendido entre los meses de Marzo a Junio, el resto del año es verano acompañado de lluvias aisladas 9.

4.1.1.5 Geografía y Medio Ambiente. Población asentada en las estribaciones de la cordillera oriental, atravesada por la vía central que comunica la capital colombiana con el sur del país, ubicada en una posición estratégica inmejorable por sus paisajes, clima, fertilidad de sus tierras y calidad de su gente.

Su principal recurso hídrico es el río Timaná que recorre su territorio por 32 kilómetros, así mismo las quebradas Camenzo y Aguas Claras que surten el municipio de agua para el acueducto local; otras micro cuencas están conformadas por las quebradas Sicana o Minchala, Piragua o Maria Herrera, La Tigrera, Tobo, Cristales o las Vueltas, Jundiche, Las Bolsas, Colorada, Seca o Guinea, Cabuyos y Santa Bárbara.

No hay registros sobre el caudal de las corrientes hídricas pero es evidente la disminución de caudales; Timaná ha realizado una importante compra de reservas forestales buscando mitigar la tala indiscriminada de bosques y la deforestación en general. Normalmente no se cumplen los parámetros de ley sobre los límites en 9

ALCALDIA MUNICIPAL DE TIMANÀ. Plan de Desarrollo Municipal: 2004 - 2007. p. 47.

46

las márgenes de las vertientes hídricas, se utiliza el terreno en una explotación irracional hasta el borde de las quebradas y ríos.

Las explotaciones agropecuarias inciden en un alto nivel en la contaminación ambiental de Timaná, se debe concientizar la población del enorme impacto negativo para la calidad de vida futura que genera la actividad económica inconsciente, se debe tener la “Responsabilidad intergeneracional”, es decir la responsabilidad con las próximas generaciones.

Los problemas generales

para el medio ambiente tienen que ver con

contaminación, deforestación, disminución del caudal, erosión, sedimentación, mal uso, desbordamientos y pérdidas de especies.

La contaminación se da por vertimiento de aguas negras, agroquímicos, residuos del beneficio del café, otros residuos sólidos, sedimentos y generalmente la falta educación.

El Municipio utiliza para la recreación el sitio denominado aguas calientes de la quebrada sicana; aposentos en la quebrada de tobo, vereda Mateo Rico y charco el sol en el río Timaná en la vereda San Calixto.

Se ha considerado, como especies de flora nativa en vía de extinción el amarillo, bilibi, cachingo, la guadua, el roble, el balso aliso, arrayán, balsero, canelo, cedro 47

rosado, cedro negro, chaquito, comino, laurel , mondey y el yarumo entre otros. Así mismo figuran como reforestadas 100 hectáreas en la vereda el diviso, 20 hectáreas en la vereda buenos Aires y 10 hectáreas en la vereda san Antonio.

Como zonas desforestadas por la tala de bosques para la ampliación de la frontera agrícola figura la micro cuenca la piragua en una área de 20 hectáreas, la micro cuenca aguas claras en un área 15 hectáreas, la micro cuenca el tigre en un área de 18 hectáreas y la micro cuenca del río Timaná en un área de 30 hectáreas.

El planeta enfrenta el problema del recalentamiento y Timaná no es la excepción; localmente se presenta la falta de reforestación, la extinción de especies de fauna y flora, el manejo de residuos sólidos y líquidos es un problema grave en el Municipio, los vertimientos de aguas residuales van a parar a las cuencas hidrográficas. No se cuenta con datos o registros estadísticos necesarios para hacer el seguimiento de los problemas. 10

4.1.1.6 Descripción de la topografía y suelos. Esta población está ubicada sobre territorios montañosos, en los que se destaca como único accidente orográfico la serranía de la Ceja y en los que también en algunas zonas presentan extensas planicies, contemplando en casi todos sus tierras el piso térmico medio y regados 10

ALCALDIA MUNICIPAL DE TIMANÀ. Plan de Desarrollo Municipal: 2004 - 2007. p. 25-26.

48

por las aguas del río Timaná, las de las quebradas el Rincón, las Camitas, Las Vueltas, Mansijo, Olicual y Tobo, y varias corrientes menores. Respecto a los suelos, se considera que Timaná cuenta con áreas sobré utilizadas en ganadería y en agricultura. Los tipos de deterioro presentado corresponden a erosión, deslizamiento y desertización. Las causas de deterioro son la deforestación, la quema, el sobre pastoreo, la ampliación de la frontera agrícola, el uso de plaguicidas, el monocultivo y la escorrentía entre otros.

Se hace necesario que haya capacitación en uso de suelos, rotación de cultivos, barreras vivas, tecnificación pecuaria, así como incrementar la asistencia técnica y la reforestación.

En Timaná figura una cantera de calizas y arcillas con un área aproximada de 3.500 hectáreas. Hay que resaltar la compra de 1.156 hectáreas de bosques para la protección de las cuencas hidrográficas.

El uso del suelo en el casco urbano del municipio de Timaná se clasifica en 4 actividades básicas, las cuales se relacionan a continuación.

•

Comercial

•

Residencial

•

Institucional 49

•

Industrial

El uso principal es el residencial; seguido del uso comercial que sigue considerado predio a predio, encontramos que el mayor desarrollo está en el sector del centro y especialmente sobre la carrera 4ta y alrededor del parque; también se presenta el uso industrial pero a escala de micro empresas de tipo artesanal, el cual se desarrolla dentro de las áreas residenciales consolidadas.

4.1.2 Fase 2 Diagnostico de la estructura

4.1.2.1 Características físicas y operativas del sistema de acueducto.

El sistema de acueducto de la cabecera del Municipio de Timaná se surte de dos fuentes de agua a saber:

Quebrada de Aguas Claras. Sobre la quebrada Aguas Claras se observó un sistema de captación el cual esta compuesto por una bocatoma y un desarenador. La bocatoma es del tipo de captación de fondo y de acuerdo a los diseños encontrados tiene una capacidad de captación de 17 l/s, El desarenador se encuentra en localizado a 50 metros de la bocatoma, tanto la tubería de aducción como la tubería de conducción son de 4” de diámetro en tubería A.C.

50

La Quebrada de Camenzo. Esta quebrada complementa el caudal necesario para el sistema de acueducto de la cabecera municipal. En ella se encontraron una bocatoma de fondo que capta un caudal de 27 l/s y un desarenador. La tubería de aducción y la tubería de conducción es de 6” en tubería A.C.

Los dos sistemas antes descritos, se encuentran en un punto de conexión en donde el diámetro de la conducción cambia a 6”, para que de allí continué hasta el casco urbano.

•

Diagnóstico de las estructuras existentes:

Quebrada Aguas Claras Bocatoma; En la visita realizada se pudo observar el daño considerable en su estructura ya que con el tiempo viene sufriendo desgaste y fisuramiento acelerado debido a la falta de mantenimiento además de factores adversos como la erosión y derrumbes ocasionados por las lluvias como consecuencia de la deforestación de la cuenca, los cuales han traído como resultado volcamiento de los muros laterales.

La rejilla presenta un desgaste por corrosión y algunas de las varillas muestran espaciamientos muy grandes por la falta de mantenimiento en la captación que

51

permite la entrada de rocas muy grandes y pesadas que generan daños considerables en las varillas como torceduras y rompimiento. Ver figura 2.

Figura 2. Fotografía Bocatoma Quebrada Aguas Claras

Figura 3. Fotografía desarenador Bocatoma Aguas claras

Desarenador; En la visita y en el inventario realizado se pudo observar que el desarenador ha sufrido un daño considerable en la zona de entrada de su estructura debido al paso de material muy grueso a grandes velocidades lo cual

52

genera el mal funcionamiento de la estructura ya que no se están disipando la energía de velocidad y ocasiona una distribución desigual del fluido hacia la zona de sedimentación, manteniendo velocidades muy altas en toda la sección transversal, y como consecuencia de este problema no habrá un funcionamiento eficiente del sistema. Ver figura 3.

La Quebrada de Camenzo

Bocatoma; Esta estructura presenta daños considerables por corrosión y erosión por falta de mantenimiento de esta, ocasionando fallas que impiden el correcto funcionamiento del sistema de captación. Ver figura 4.

Figura 4. Fotografía Bocatoma Quebrada Camenzo

53

Figura 5. Fotografía desarenador Bocatoma Camenzo

Desarenador; La estructura no presenta daños pero debido a las fallas ocasionadas en la bocatoma genera mal funcionamiento ya que se genera un exceso de material granular a tal punto que presenta rebose y taponamiento de la tubería de aducción y consecuentemente de conducción.

Línea de conducciones; Las dos líneas están tendidas en toda su longitud en terrenos ondulados, estables de fácil acceso. Arriba del cruce de la carretera de Camenzo con la entrada a la vereda Sabaneta se unen las dos líneas para desde este sitio hasta la planta de tratamiento, el agua es conducida por una tubería de 6” de diámetro en material A.C. y de una longitud de 3.000 metros transportando un caudal máximo de 45 l/.s.

54

Debido al material de la tubería y al caudal transportado se generan presiones muy altas que ocasionan ruptura de la tubería continuamente.

Tanque de almacenamiento; El sistema de almacenamiento del acueducto de Timaná esta compuesto por un tanque rectangular de concreto armado y dividido en varias celdas para facilitar su limpieza, con una capacidad de 400m3 el cual se encuentra en buen estado.

Figura 6. Fotografía tanque de almacenamiento

Red de distribución; La red presente en la cabecera municipal se encuentra en condiciones óptimas de funcionamiento ya que la misma fue optimizada en el año de 1999, (fuente: oficina de planeación municipal-los planos record).

55

El trazado de la red, se sustenta en estudios que tienen en cuenta los cambios en las características topográficas de la población actual y a futuro en donde se detallan el perímetro urbano, áreas de desarrollo futuro y localización de otros servicios públicos.

4.1.2.2 Sistema de tratamiento:

La planta de tratamiento esta diseñada para tratar un caudal de 45 L.p.s. Esta planta esta diseñada para realizar los pasos elementales en el tratamiento de aguas para el consumo humano eliminando parcialmente turbiedad, color y microorganismos patógenos, realizando el siguiente proceso 11:

•

Mezcla rápida

•

Mezcla lenta

•

Sedimentación

•

Filtración rápida

•

Desinfección

4.1.3 Fase 3 Estudio de la demanda

4.1.3.1 Recopilación de censos. Estos datos recopilados de los censos de la población beneficiada con el servicio de distribución de agua potable establecidos 11

IALCALDIA MUNICIPAL DE TIMANÀ. Plan de Desarrollo Municipal: 2004 – 2007, p. 80

56

en la presente investigación, se analizaron los datos obtenidos por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE).

Tabla 5. Censos realizados por el DANE AÑO

POBLACIÓN

1938

2713

1951

2439

1964

2999

1973

3794

1985

5038

1993

5792

4.1.3.2 Estimación de la población

Para la obtención de la tasa de crecimiento se utilizo el modelo geométrico basado en los datos obtenidos por los censos realizado por el DANE, según este método la tasa de crecimiento se define por la siguiente ecuación:

⎡P ⎤ r = ⎢ uc ⎥ ⎣ P ci ⎦

donde:

⎡ ⎤ 1 ⎢ ⎥ T T − CI ⎦ ⎣ UC

− 1

(1)

r

=

Tasa de crecimiento anual

Puc

=

Población del último censo (5792 hab)

Pci

=

Población del censo inicial (5038hab) 57

Tuc

=

Año del último censo (1993)

Tci

=

Año del censo inicial (1985)

Por lo tanto el dato de la tasa de crecimiento anual para la población de la cabecera del Municipio de Timaná, se obtuvo reemplazando en la ecuación (1):

r 93

− 85

⎡P ⎤ = ⎢ 93 ⎥ ⎣ P 85 ⎦

⎡ ⎤ 1 ⎢ ⎥ ⎣ T 93 − T 85 ⎦

⎡

r93 − 85

r 93

- 85

⎡ 5792 ⎤ ⎢⎣ 1993 = ⎢ ⎥ ⎣ 5038 ⎦

− 1

1 ⎤ − 1985 ⎥⎦

−1

= 0.0176 ≈ 1.76% anual

Para obtener la población en el año 2006 se uso el Método de Crecimiento geométrico, según este método la tasa de crecimiento se define por la siguiente ecuación:

Pf

donde:

= P

uc

( 1 + r ) Tf

- Tuc

(2)

r

=

Tasa de crecimiento anual (0.0176)

Puc

=

Población del último censo (5792 hab)

Pf

=

Población proyectada

Tuc

=

Año del último censo (1993)

Tf

=

Año de la proyección (2006)

58

Por lo tanto el valor de la proyección de la población para el año 2006, reemplazando en la ecuación (2) fue:

P 2006 = P1993 × ( 1 + 0 ,0176 ) T 06 P 2006 = 5792 × (1 + 0 ,0176 ) 2006

- T 93

− 1993

P 2006 = 7267 hab Se proyecta la población al año 2026 utilizando la ecuación (2) descrita anteriormente: donde:

r

=

Tasa de crecimiento anual (0.0176)

Puc

=

Población del último censo (7267 hab)

Pf

=

Población proyectada

Tuc

=

Año del último censo (2006)

Tf

=

Año de la proyección (2026)

Por lo tanto la población proyectada para el año 2026 es:

P 2026 P 2006

= P 2006 × ( 1 + 0 , 0176 ) T 26 = 7267

× ( 1 + 0 , 0176

P 2026 = 10301 hab

59

) 2026

- T 06

- 2006

4.1.3.3 Periodo de diseño. Para el presente proyecto se obtuvo una población para el 2006 en la cabecera municipal de 7267 habitantes lo cual indica que el nivel de complejidad es medio respecto con los parámetros de la tabla 6.

Tabla 6. Asignación del nivel de complejidad (RAS 2000) NIVEL DE COMPLEJIDAD

POBLACIÓN EN LA ZONA

CAPACIDAD ECONOMICA

(HABITANTES)

DE LOS USUARIOS

BAJO

< 2500

BAJA

MEDIO

2501 a 12500

BAJA

MEDIO ALTO

12501 a 60000

MEDIA

ALTO

> 60000

ALTA

De acuerdo al nivel de complejidad obtenido se procede a determinar el periodo de diseño del sistema que para el proyecto es de 20 años según la tabla 7.

Tabla 7. Periodos máximos de diseño (RAS 2000) NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA

PERIODO DE DISEÑO

Bajo

15 AÑOS

Medio

20 AÑOS

Medio Alto

25 AÑOS

Alto

30 AÑOS

60

4.1.3.4 Obtención del consumo neto. La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. La dotación neta según la tabla 8, el valor del consumo o dotación neta mínima para el nivel de complejidad medio es de 120 Lt/hab*día y el valor máximo es 175 Lt/hab*día.

Tabla 8. Rangos de valores de consumo residencial (RAS 2000) NIVEL DE COMPLEJIDAD

DOTACIÓN NETA MÍNIMA

DOTACIÓN NETA MÁXIMA

DEL SISTEMA

(L / Hab – Día)

(L / Hab-Día)

Bajo

100

150

Medio

120

175

Medio Alto

130

_

Alto

150

_

Corrección por temperatura, la temperatura ambiente es uno de los principales factores que afectan el consumo en una comunidad. El consumo neto puede incrementarse así:

61

Tabla 9.Variación a la dotación neta según el clima y el Nivel de Complejidad del Sistema (RAS 2000) Nivel de complejidad del sistema

Clima cálido

Clima templado

Clima frío

(Mas de 28°C)

(Entre 20°C y 28°C)

(Menos de 20°C)

Bajo

+ 15 %

+ 10%

Medio

+ 15 %

+ 10 %

No se admite

Medio alto

+ 20 %

+ 15 %

Corrección por clima

Alto

+ 20 %

+ 15 %

Para el municipio de Timaná (Huila) la corrección del consumo neto máximo debido a la temperatura es del 15% de acuerdo con la tabla 9, ya que la temperatura oscila entre los 28°C y 20°C; por consiguiente el consumo neto máximo será de 201.25 L/Hab.-día.

4.1.3.5 Pérdidas de agua. Con base al nivel de complejidad medio, las pérdidas técnicas de agua del sistema son del 30% como se establece en la tabla 10.

62

Tabla 10. Porcentajes máximos admisibles de pérdidas técnicas Nivel de complejidad del sistema

Porcentajes máximos admisibles de pérdidas técnicas para el cálculo de la dotación bruta

Bajo

40 %

Medio

30 %

Medio alto

25 %

Alto

20 %

4.1.3.6 Consumo total. El consumo total de la población se determina a partir de la siguiente expresión: Consumotot al(l / hab

donde:

%P Consumo neto

d) =

Consumonet o (3) 1 - %P

=

Porcentaje de perdidas técnicas (30%)

=

Consumo neto (201.259)

Por lo tanto:

Consumotot al(l / hab

d) = 287.50L / hab * dìa

4.1.3.7 Caudal de diseño. •

Caudal medio diario (Qmd), Es el caudal promedio obtenido de un año de

registros y es la base para l estimación del caudal máximo diario y del máximo

63

horario. Este caudal expresado en litros por segundo, se obtiene a partir de la siguiente expresión:

Qmd =

donde:

Consumotot al(L / hab d)xPoblación (hab ) (4) 86.400

Población

=

Población proyectada al 2026 (10301 hab)

Consumo total

=

consumo total (287.50 L/hab*día)

Remplazando en la ecuación (4) obtenemos:

Qmd =

287 .50l(L / hab - d) * 10301(hab ) 86 .400 Qmd = 34 .38L / hab * día

•

Coeficientes de mayoración

El coeficiente de máximo consumo diario k1, para el nivel de complejidad medio es 1.3 según la tabla 11.

64

Tabla 11. Coeficiente de consumo máximo diario, k1, según el Nivel de Complejidad del Sistema (RAS 2000) Nivel de complejidad del sistema

Coeficiente de consumo máximo diario - k1

Bajo

1.30

Medio

1.30

Medio alto

1.20

Alto

1.20

El coeficiente de máximo consumo horario k2, en una red secundaria y con un nivel de complejidad medio, es 1.5 de acuerdo a la tabla 12.

Tabla 12. Coeficiente de mayoración del caudal máximo horario en relación con el máximo diario para redes de distribución (RAS 2000) POBLACIÓN

Red menor

Red secundaria

Red matriz

(menor de 4”)

(entre 4” y 12”)

(mayor de 12”)

< 2.500 hab

1,6

-

-

2.500 – 12.500 hab

1,6

1,5

-

12.500 – 60.000 hab

1,5

1,45

1,4

> 60.000 hab

1,5

1,45

1,4

65

•

Caudal máximo diario, Es la demanda máxima que se presenta en un día

del año. Es decir representa el día de mayor consumo en el año y se calcula según la siguiente expresión:

Q MD = k 1 × Q md donde:

k1

=

(5)

Coeficiente de máximo consumo diario es (1.3)

Qmd

=

Caudal medio diario (34.28 L/hab*día)

Remplazando en la ecuación (5) obtenemos:

Q MD = 1 . 3 × 34 . 28 L / hab * día Q MD = 44 . 56 L / hab * día

•

Caudal máximo horario, Corresponde a la demanda máxima que se presenta en una hora durante un año completo, y en general se determina como:

Q donde:

MH

= k

2

× Q

MD

(6)

k2

=

El coeficiente de máximo consumo horario es (1.5)

Qmd

=

Caudal máximo horario (44.56)

Remplazamos en la ecuación (6):

Q

MH

Q

= 1 . 5 × 44 . 56 L / hab MH

= 66 . 84 L / hab

66

- día

* día

4.1.3.8 Obtención de la proyección de la demanda. La obtención de la demanda a los 20 años de diseño, se observa en la siguiente tabla 13.

Tabla 13. Proyección de la demanda DOTACION

DOTACION

NETA

BRUTA

Qmd

QMD

QMH

(L/S)

(L/S)

N°

AÑO r(%) POBLACION

(L/HAB)

PERDIDAS

(L/HAB)

(L/S)

0

2006 1,76

7267

197,25

39

323,36

27,20 35,35 53,03

1

2007 1,76

7394

197,45

38

318,47

27,26 35,43 53,15

2

2008 1,76

7525

197,65

38

318,79

27,76 36,09 54,14

3

2009 1,76

7657

197,85

37

314,05

27,83 36,18 54,27

4

2010 1,76

7792

198,05

36

309,45

27,91 36,28 54,42

5

2011 1,76

7929

198,25

36

309,77

28,43 36,96 55,43

6

2012 1,76

8069

198,45

35

305,31

28,51 37,06 55,60

7

2013 1,76

8211

198,65

35

305,62

29,04 37,76 56,63

8

2014 1,76

8355

198,85

34

301,29

29,14 37,88 56,81

9

2015 1,76

8502

199,05

34

301,59

29,68 38,58 57,87

10

2016 1,76

8652

199,25

34

301,89

30,23 39,30 58,95

11

2017 1,76

8804

199,45

33

297,69

30,33 39,43 59,15

12

2018 1,76

8959

199,65

33

297,99

30,90 40,17 60,25

13

2019 1,76

9117

199,85

32

293,90

31,01

40,31 60,47

14

2020 1,76

9277

200,05

32

294,19

31,59

41,06

67

61,60

15

2021 1,76

9440

200,25

32

294,49

32,18

41,83 62,74

16

2022 1,76

9606

200,45

31

290,51

32,30 41,99 62,99

17

2023 1,76

9776

200,65

31

290,80

32,90 42,77 64,16

18

2024 1,76

9948

200,85

30

286,93

33,04 42,95 64,42

19

2025 1,76

10123

201,05

30

287,21

33,65 43,75 65,62

20

2026 1,76

10301

201,25

30

287,50

34,28 44,56 66,84

4.1.4 Fase 4 Diseño de ingeniería.

4.1.4.1 Diseños de las estructuras de captación y conducción. Los diseños de Ingeniería del presente trabajo de investigación incluyen el diseño de: Obras de captación y conducción. Parámetros tenidos en cuenta para la elaboración de los diseños.

Bocatoma: •

El diseño de la bocatoma para la captación del acueducto es de fondo por su economía y facilidad, ya que este es el tipo de captación es mas usado para ríos pequeños o quebradas en donde la profundidad del cauce no es muy grande, además su diseño se puede adaptar a la forma de la sección transversal de la quebrada.

68

•

Las fuentes de abastecimiento del acueducto son las Quebradas Camenzo y Aguas Claras, de las cual se conocen datos de aforo de caudal obtenidos por los integrantes del proyecto, y estas fuentes permite la captación de agua natural superficial permanentemente.

Aducción bocatoma – desarenador: •

El material de la tubería de la aducción es PVC presión y los tubos y aditamentos van a estar unidos entre sí según las indicaciones.

•

El agua se va a dirigir por la línea de aducción por gravedad y su diseño se va a realizar por presión.

Desarenador: •

El desarenador esta diseñado para que pueda realizar cada una de los procesos eficientemente en cada una de sus cuatro zonas teniendo en cuenta las variaciones del clima.

•

Las pendientes establecidas en el diseño del desarenador permitirán la facilidad de limpieza para el transporte de sedimentos hasta la zona de salida.

Conducción desarenador – tanque de almacenamiento: •

El material de la tubería de la conducción es PVC presión impulsadas por gravedad y los tubos y

aditamentos van a estar unidos entre sí según

indicaciones.

69

•

La tubería de la conducción se va a localizar teniendo en cuenta el cambio mínimo de cotas de nivel para el correcto funcionamiento hidráulico sin poner en riesgo la conservación del material de la tubería; además se realizo un alineamiento con menor longitud por razones topográficas y económicas. para evitar las grandes presiones y movimientos de tierra.

•

La tubería se colocará a una profundidad entre 0.8 y 1.0 m, por debajo de la piezométrica para evitar grandes presiones y movimientos de tierra.

DISEÑOS DE INGENIERIA

Realización de los diseños de las estructuras de captación y conducción para el acueducto. •

Diseño de la bocatoma de fondo. Para realizar el diseño de las bocatoma de fondo se tomaron los siguientes datos de entrada:

•

Periodo de diseño: El nivel de complejidad es medio según el RAS 2000 y el periodo correspondiente para este nivel es de 20 años.

•

Población de diseño: De acuerdo con la proyección de la población realizada anteriormente, se tiene que la población para el año 2026 es de 10301habitantes.

70

•

Caudal de diseño: Los caudales utilizados para los diseños de las estructuras fueron los obtenidos a partir del aforo realizado a cada una de las fuentes de abastecimiento los cuales se optimizo al 20%.

DISEÑO BOCATOMA QUEBRADA AGUAS CLARAS

•

Caudal de diseño: El caudal de la quebrada Aguas Claras optimizado es de 20 L.p.s.

•

Aforo de la quebrada: El caudal de la quebrada Aguas Claras, en tiempo seco es de 0.15 m3/seg, el caudal medio es de 0.45 m3/seg y el caudal máximo es de 2.0 m3/seg.

•

Ancho de la quebrada: en el lugar de captación el ancho de la quebrada es de 4.0 m.

DISEÑO DE LA PRESA Se tomó un ancho de la presa inicial de 3.15 m. La altura de la lámina de agua en las condiciones de diseño se obtuvo con la siguiente ecuación:

Q = 1.84 L H1.5 donde:

(7)

Q

=

Caudal de diseño (0.020 m3/seg)

L

=

Longitud del vertedero (3.15m)

H

=

Carga sobre la cresta del vertedero

71

Despejando en ecuación (7) la carga sobre la cresta del vertedero: 2

⎛ Q ⎞3 H=⎜ ⎟ ⎝ 1.84 L ⎠

Reemplazando por los valores conocidos: 2

⎛ 0.020 ⎞ 3 ⎟⎟ H = ⎜⎜ ⎝ (1.84 )(3.15 ) ⎠ H = 0.023 m

Se realizó la corrección por las dos contracciones laterales: L’ = L – 0.1 n H donde:

(8)

n

=

Número de contracciones laterales (2)

L’

=

Longitud del vertimiento corregida

L

=

Longitud del vertimiento (3.15 m)

reemplazando: L’ = 3.15 – (0.2) (0.023) L’ = 3.14 m La velocidad de la quebrada sobre la presa correspondiente se obtuvo según la siguiente ecuación: V=

donde:

Q L' H

(9)

V = Velocidad de la quebrada sobre la presa Q = Caudal de diseño (0.020m3/seg) L’ = Longitud del vertimiento (3.14 m)

72

H = Carga sobre la cresta del vertedero (0.023 m) reemplazando:

V=

0.020 (3.14)(0.023)

V = 0.277 m/seg 0.3 m/seg < 0.277 m/seg < 3.0 m/seg Æ OK

•

Diseño de la rejilla y canal de aducción:

El ancho del canal de aducción se calculó con la ecuación de alcance de chorro: 2 3

Xs = 0.36 Vr + 0.60 H

4 7

(10)

donde: Xs = Alcance filo superior Vr = Velocidad de la quebrada (0.277 m/seg) H = Profundidad de la lámina de agua sobre la presa (0.023 m)

reemplazando: 2 3

X s = (0.36)(0.277) + (0.60)(0.023) Xs = 0.223 m 4 7

Xi = 0.18 Vr + 0.74 H donde: Xi = Alcance filo inferior

73

3 4

(11)

4 7

Vr = Velocidad de la quebrada (0.277 m/seg) H = Profundidad de la lámina de agua sobre la presa (0.023 m)

4 7

reemplazando:

X i = (0.18)(0.277) + (0.74)(0.023)

3 4

Xi = 0.130 m

B = Xs + 0.10

donde:

B = Xs =

reemplazando:

(12)

Ancho del canal de aducción Alcance filo superior (0.223 m) B = 0.223 + 0.10 B = 0.323 m

Entonces por aproximación se adopto el ancho de la rejilla y del canal de aducción de 0.35 m.

•

Longitud de la rejilla y número de orificios:

Se tomaron barras de ¾”, con separación de 5 cm entre estas y la velocidad entre estas se supuso igual a 0.2 m/seg; con estos datos se realizaron los siguientes cálculos: An =

donde:

An

=

Q 0.9 Vb

(13)

Área neta de la rejilla

74

Vb

=

Velocidad entre barrotes (0.2 m/seg)

Q

=

Caudal de diseño (0.020 m3/seg)

reemplazando: An =

0.020 (0.9)(0.2)

A n = 0.111m 2

An =

donde:

a B Lr a+b

(14)

a

=

Separación entre barrotes (0.05 m)

Lr

=

Longitud de la rejilla

b

=

Diámetro de cada barrote (0.0191m)

An

=

Área neta de la rejilla (0.111m2)

B

=

Ancho del canal de aducción (0.35 m)

Despejando en la ecuación (14) se obtiene la longitud de la rejilla: Lr =

(0.111) (0.05 + 0.0191) (0.05)(0.35) Lr = 0.438 m

Se tomó la longitud como 0.45 m, recalculando: An =

0.05 x 0.35 x 0.45 (0.9)(0.0191)

75

A n = 0.46 m 2

El número de orificios fue: N=

N=

An axB

0.46 (0.05)(0.35)

N = 26 orificios Se adoptaron 26 orificios, separados entre sí 5 cm. entonces se recalculan los datos para obtener las dimensiones de la rejilla:

A n = (0.05)(0.35)(26) = 0.46 m 2 Vb =

Lr =

0.020 = 0.048 m/s (0.9)(0.46)

(0.46)(0.05 + 0.0191) = 1.82 m (0.05)(0.35)

Entonces se adoptó el valor de 1.82 m de largo para la rejilla.

Los niveles de agua en el canal de aducción son:

•

Aguas abajo: 1

⎛ Q2 ⎞ 3 ⎟ he = hc = ⎜⎜ 2 ⎟ ⎝ gB ⎠

76

(15)

donde:

he = Profundidad aguas abajo hc = Profundidad crítica g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2) Q = Caudal de diseño (0.020 m3/seg) B = Ancho del canal de aducción (0.35 m) 1

reemplazando:

⎛ (0.020) 2 ⎞ 3 ⎟ h c = ⎜⎜ 2 ⎟ ( 9 . 81 )( 0 . 35 ) ⎝ ⎠ hc = 0.036 m

•

Aguas arriba:

La longitud de la rejilla se va asumir de 1.82 m Lcanal = Lrejilla + espesor del muro (16) Lcanal = 1.82 + 0.30 Lcanal = 2.12 m Se adoptó una pendiente de 4%: ⎡ 2 ⎛ iL ⎞ ho = ⎢2he + ⎜ he − c ⎟ 3 ⎠ ⎝ ⎢⎣ donde:

2

1 2

⎤ 2 ⎥ − iLc 3 ⎥⎦

(17)

ho = Profundidad aguas arriba i = Pendiente del fondo del canal (4%) Lc = Longitud del canal (2.12 m) he = Profundidad aguas abajo (0.036 m)

reemplazando:

77

h o = (2)(0.036) 2 + 0.036 -

(0.04)(1.82) 3

2

1 2

2 (0.04)(1.82) 3

ho = 0.024 m

•

La altura total de los muros de aducción es:

Ho = ho + BL

(18)

donde: ho = Profundidad aguas arriba (0.024 m) BL = Profundidad del canal de aducción (0.15 m) H0 = Profundidad aguas arriba del canal de aducción más lámina de agua

reemplazando:

H o = 0.024 + 0.15 Ho = 0.174m

He = Ho + i Lc

(19)

donde: H0 = Profundidad aguas arriba del canal de aducción más lámina de agua (0.23 m) He = Profundidad aguas abajo del canal de aducción más lámina de agua I

= Pendiente del fondo del canal (4%) Lc = Longitud del canal (1.30 m)

reemplazando:

He = 0.174 + (0.04)(1.82) 78

He = 0.247 m La velocidad del agua al final del canal fue según la ecuación (20): Ve =

Q B he

(20)

Ve = Velocidad del canal al final del canal

donde:

B = Ancho de la rejilla (0.35 m) he = Profundidad aguas abajo (0.036m) Q = Caudal de diseño (0.020 m3/seg)

reemplazando:

Ve =

0.020 (0.35)(0.036)

Ve = 1.59 m/seg 0.3 m/seg < 1.59 m/seg < 3.0 m/seg Æ OK

•

Diseño de la cámara de recolección: 2

4

Xs = 0.36 Ve 3 + 0.60 he 7

(21)

donde: Xs = Alcance filo superior Ve = Velocidad del canal al final del canal (1.59 m/seg) he = Profundidad aguas abajo (0.036m)

reemplazando:

2 3

X s = (0.36)(1.59) + (0.60)(0.036) 79

4 7

Xs = 0.58 m

4

3

Xi = 0.18 Ve 7 + 0.74he 4

donde:

(22)

Xi = Alcance filo inferior Ve = Velocidad del canal al final del canal (1.59 m/seg) he = Profundidad aguas abajo (0.036 m)

4

reemplazando:

3

X i = (0.18)(1.59) 7 + (0.74)(0.036) 4 Xi = 0.30m

Bcámara = Xs + 0.30 (23)

donde:

Xs = Alcance filo superior (0.58 m) Bcámara = Ancho de la cámara

reemplazando:

Bcámara = 0.58 + 0.30 Bcámara = 0.88 m

La cámara tendrá las siguientes dimensiones 1.20 m x 1.20 m libres, con un acceso de 1.0 m x 1.0 m. El fondo de la cámara estará a 55 cm por debajo de la cota de canal de aducción a la entrega.

80

•

Cálculo de la altura de los muros de contención:

Como el caudal máximo de la quebrada Aguas Claras es 2.0 m3/seg, entonces la altura de la lámina de agua en la garganta de la bocatoma se obtuvo con la siguiente ecuación: 2

⎛ Q ⎞3 H=⎜ ⎟ ⎝ 1.84 L ⎠

donde:

(24)

Q

=

Caudal máximo de la quebrada (2.0 m3/seg)

L

=

Longitud del vertedero (3.15 m)

H

=

Carga sobre la cresta del vertedero

2

reemplazando:

⎛ ⎞3 2.0 ⎟⎟ H = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(3.1 5) ⎠

H = 0.492 m

•

Cálculo del caudal de excesos:

Como el caudal medio de la quebrada Aguas Claras es 0.45 m3/seg, entonces la altura de la lámina de agua en la garganta y el caudal de excesos se obtuvo con la ecuación (23). 2

⎛ ⎞3 0.045 ⎟⎟ H = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(3.1 5) ⎠

H = 0.039 m

81

La capacidad máxima de de captación de la rejilla se puede aproximar al caudal a través de un orificio, para lo que se uso la ecuación (24):

Qcaptado = Cd A neta 2 g H donde:

(25)

Qcaptado=

Caudal a través de la rejilla

Cd

Coeficiente de descarga (0.3)

=

Aneta =

Área neta de la rejilla (0.46 m2)

H

Altura de la lámina de agua sobre la rejilla

=

(0.039 m)

reemplazando:

Q captado = (0.3)(0.46) (2)(9.81)(0.039) Qcaptado = 0.121 m3/seg

El caudal de excesos se obtuvo por la diferencia entre el caudal captado a través de la rejilla y el caudal de diseño, por medio de la ecuación (26): Qexcesos = Qcaptado – Qdiseñado

(26)

Qexcesos = 0.121 – 0.020 Qexcesos = 0.101 m3/seg

Las condiciones en el vertedero de excesos se obtuvieron según la ecuación (25) para la altura y la ecuación (26) para la velocidad:

82

⎛ Q H exc = ⎜⎜ ⎝ 1.84 B cámara

donde:

2

⎞3 ⎟⎟ ⎠

Hexc

=

Altura del vertedero de excesos

Q

=

Caudal de excesos (0.101 m3/seg)

Bcámara =

Ancho de la cámara (1.0 m)

2

reemplazando:

Hexc

⎛ 0.101 ⎞ 3 ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(1.0 ) ⎠

Hexc = 0.144 m

Vexc =

donde:

Qexc Hexc Bcámara

(27)

Vexc

=

Velocidad de excesos

Hexc

=

Altura del vertedero de excesos (0.144 m)

Q

=

Caudal de excesos (0.101 m3/seg)

Bcámara =

reemplazando:

Ancho de la cámara (1.0 m)

Vexc =

0.101 (0.144)(1.0)

Vexc = 0.701 m/seg

83

El xs se obtuvo a partir de la ecuación (20): 2

4

X s = (0.36)(0.701) 3 + (0.60)(0.101) 7 Xs = 0.446m •

Cálculo de cotas:

Fondo de la quebrada en la captación =

1455.24

Lámina sobre la presa: Diseño:

=

1455.24+0.023 = 1455.26

Máxima:

=

1455.24+ 0.492 = 1455.73

Promedio:

=

1455.24+ 0..399 = 1455.28

Corona de los muros de contención:

=

1455.24+ 0.492 = 1455.73

Fondo aguas arriba:

=

1455.24- 0.174 = 1455.06

Fondo aguas abajo:

=

1455.24- 0.247 = 1454.99

Lámina aguas arriba:

=

1455.06+ 0.024 = 1455.08

Lámina aguas abajo:

=

1454.99+ 0.036 = 1455.03

Lámina de agua:

=

1454.99 – 0.15 = 1454.84

Cresta del vertedero de excesos:

=

1454.84 – 0.144 =1454.70

Fondo:

=

1454.70 – 0.35 = 1454.35

Canal de aducción:

Cámara de recolección

84

DISEÑO DE LA LÍNEA DE ADUCCIÓN BOCATOMA - DESARENADOR:

Para realizar el diseño de la línea de aducción entre la bocatoma y el desarenador se tomaron los siguientes datos de entrada: •

Caudal de diseño: 20 Lt/seg.

•

Periodo de diseño: 20 años.

•

Cota de la lámina de agua a la salida de la bocatoma: 1454.35

•

Cota de descarga en el desarenador: 1450.71

•

Cota

para

cálculo

de

descarga:1450.71 + 5.00

las

pérdidas

en

el

= 1455.71

•

Coeficiente de rugosidad de Manning: 0.009

•

Longitud de la conducción: 50 m

Pendiente de la tubería y el diámetro de correspondiente (ecuación 28) Q=

S=

AR 2 / 3 S1 / 2 n

(1454.35 - 1450.71) × 100 50 S = 7% ⎛ nQ ⎞ D = 1,548 ⎜⎜ 0.5 ⎟⎟ ⎝ (S ) ⎠

donde:

D = n = Q =

3 8

Diámetro Rugosidad (0.009) Caudal de diseño (0.020 m3/seg) 85

punto

de

S

=

Pendiente de la línea de aducción (0.07%)

(0.009 * 0.020) D = 1,548 (0.07) 0.5

3 8

D = 0.102 m ≈ 3.96” Tomando el diámetro comercial, D = 4” ≈ 0.102 m, se aplica la (ecuación 28) para establecer las condiciones de flujo a tubo lleno: ⎛ D 8/3 S1/2 Q 0 = 0.312 ⎜⎜ n ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ (0.102) 8/3 (0.07)1/2 Q 0 = 0.312 ⎜⎜ 0.009 ⎝

Qo = 0.021 m3/seg

Cálculo de velocidad a tubo lleno: V0 =

donde:

Q0 (Ecuación 29) A0

Q0 = Caudal a tubo lleno (0.056 m3/seg) V0

= Velocidad a tubo lleno

A0

= Área del tubo (0.102 m2)

V0 =

0.021× 4 Π × (0.102) 2

V0 = 2.57 m/seg Cálculo de radio hidráulico a tubo lleno: 86

⎞ ⎟⎟ ⎠

R0 =

R0 =

A0 (Ecuación 29) P0

π × D 2 D 0.102 = = = 0.03 m 4 × πD 4 4

Q 0.020 = = 0.95 Qo 0.021

Con el valor de Q/Qo, se entra a la tabla 8.2 y se obtiene: Vr = 1.03 Vo

d = 0.868 D

Vr = 1.03 * Vo

Vr = 1.03 * 2.57 = 2.65 m/s

d = 0.87 * D

d = 0.87 * 0.102 = 0.09 m

R = 1.20 * Ro

R = 1.20 * 0.03 = 0.036 m

τ = γ × R × S ‫ = ح‬9.810 * 0.036 *0.07 ‫ = ح‬24.72 N/m2

El caudal de excesos máximo previsto será de: Q exceso = Q lleno - Q diseño Q exceso = 0.021 - 0.020

87

R = 1.20 Ro

Q exceso = 0.001m 3 / s Este será el caudal que habrá que considerar en el diseño de la estructura de excesos del desarenador. Cotas definitivas y condiciones hidráulicas serán: •

Cota de batea a la salida de bocatoma

= 1454.35

•

Cota clave a la salida de bocatoma

= 1454.45

•

Cota de batea a la llegada al desarenador

= 1450.71

•

Cota clave a la llegada al desarenador

= 1450.81

•

Cota de la lamina de agua a la llegada al desarenador = 1450.08

DISEÑO DESARENADOR AGUAS CLARAS

Diseño del desarenador: para realizar el diseño del desarenador, se tomaron los siguientes datos de entrada: Condiciones de la tubería de entrada Q = 0.020 m3/s

Qo= 0.021 m3/s

V = 2.65 m/s

Vo = 2.57 m/s

D = 4” (0.102 m)

d = 0.09 m

Condiciones de diseño del desarenador: Periodo de diseño = 20 años Numero de módulos = 1

88

Caudal medio diario (año 2026) = 19 Lt/sg Caudal máximo diario (año 2026) = 20 L/s Caudal medio diario (año 2006) = 15.86 Caudal de diseño = 19 Lt/sg Remoción de partículas de diámetro: d = 0.05 mm Porcentaje de remoción = 80% Temperatura = 23 ºC Viscosidad cinemática = 0.009815 cm2/s Grado del desarenador: n = 1 (sin deflector). Relación longitud : ancho = 3 : 1 Cota de la lamina en la tubería a la entrada del desarenador = 1451.08 Cota de la batea en la tubería en la entrada del desarenador = 1450.71

• Cálculo de los parámetros de sedimentación:

Se obtuvo la velocidad de sedimentación de la partícula, teniendo en cuenta que el diámetro mínimo para la realización de los cálculos fue ds = 0.05m, estos datos se obtuvieron con la siguiente ecuación: Vs = donde:

g (ρ s - ρ) 2 d 18 μ

(30)

Vs

=

Velocidad de sedimentación de la partícula

g

=

Gravedad (981 cm/seg2)

ρs

=

Peso específico de la partícula (arena = 2.65)

ρ

=

Peso específico del agua (1.00) 89

μ

=

viscosidad cinemática del agua a 23° C (0.009815cm2/seg)

d

=

Diámetro mínimo de las partículas a remover (0.005 m)

Reemplazando: Vs =

981 (2.65 - 1.00 ) (0.005) 2 18 0.009815

Vs = 0.229 cm/seg

Se obtuvo la relación de

θ t

según los datos del grado del desarenador n = 1 y

remoción del 80%, y según la tabla para hallar el valor del número de Hazen (Vs/V0), el valor es 4. Se obtuvo el valor del tiempo en que llega una partícula al fondo, para ello se supuso una profundidad útil de sedimentación H = 1.50 m, por medio de la siguiente ecuación: t=

donde:

H Vs

(31)

t

=

Tiempo en que la partícula llega al fondo

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

Vs

=

Velocidad de sedimentación (0.229 cm/seg)

reemplazando:

90

t=

150 0.229

t = 655 seg

El período de retención se obtuvo con la siguiente ecuación: θ=4xt

donde:

(35)

θ = Período de retención

t = Tiempo en que la partícula llega al fondo (655 seg) reemplazando: θ = 4 x 655 θ = 2620 seg θ = 0.73 hor

0.5 hor ≤ θ ≤ 4 hr

OK

El volumen del tanque se obtuvo por continuidad: V=θxQ V = 2620 x 0.019 V = 49.78 m3

El área superficial del tanque se obtuvo por la siguiente ecuación: As =

donde:

V H

(36)

As

=

Área superficial del tanque

V

=

Volumen del tanque (49.78 m3) 91

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

reemplazando: As =

49.78 1.50

As = 33.19 m2

Y se obtuvieron las dimensiones del tanque, según la relación L:B = 3 :1 la base se obtuvo según la ecuación: As 4

B=

B=

(37)

33.19 4

B = 2.88 m

Por lo que el largo se obtuvo según la relación: L=3xB L = 3 x 2.88 L = 8.64 m

El valor de la carga hidráulica del tanque se obtiene según la siguiente ecuación: q=

donde:

Q As

(38)

q

=

Carga hidráulica del tanque

Q

=

Caudal medio diario en el 2026 (0.019 m3/seg) 92

As

=

Área superficial del tanque (33.19 m2)

reemplazando: q=

0.019 33.19

q = 0.000724 m3 / m2 * seg q = 62.55 m3 / m2 * día 15 m3 / m2 * día ≤ q ≤ 80 m3 / m2 * día

Como se sabe que la carga hidráulica superficial es igual

a la velocidad de

sedimentación de la partícula crítica en condiciones teóricas, Vo, se halló el valor del diámetro para esta velocidad:

V0 = q = 0.000724 m / seg = 0.0724 cm/ seg El diámetro se halló despejando dicho valor de la ecuación (33): d=

d=

V0 x 18 x μ g x ( ρs - ρ )

0.0724 x 18 x 0.009815 981 x (2.65 - 1.00) d = 0.00281 cm d = 0.028 mm

93

Teóricamente, se removerían partículas hasta de 0.03 mm, pero en las condiciones reales el diámetro máximo posible de las partículas para ser removidas, es de 0.05 mm.

Se obtuvo el valor de la velocidad horizontal por medio de la ecuación (39): Vh =

donde:

Vo L H

(39)

Vh

=

Velocidad horizontal

Vo

=

Velocidad de sedimentación de la partícula crítica en condiciones teóricas (0.0724 cm/seg)

L

=

Largo del desarenador (8.64 m)

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

reemplazando: Vh =

(0.0724)(8.64 ) 1.50

Vh = 0.417 cm/seg La velocidad horizontal máxima se obtuvo por medio de la ecuación (40): Vh máx = 20 Vs donde:

(40)

Vh máx = Velocidad horizontal máxima Vs = Velocidad de sedimentación de la partícula (0.229 cm/seg)

Reemplazando: Vh máx = (20)(0.229) Vh máx = 4.58 cm/seg

94

La velocidad de suspensión máxima se obtuvo por medio de la ecuación (41): Vr =

donde:

8k g ( ρs − ρ ) d f

(41)

Vr

=

Velocidad de suspensión máxima

k

=

Constante (para sedimentación de arenas es igual a 0.04)

f

=

Constante (para sedimentación por simple acción de la gravedad, cuando no hay coagulación, es igual a 0.03)

g

=

Gravedad (981 cm/seg2)

ρs

=

Peso específico de la partícula (arena = 2.65)

ρ

=

Peso específico del agua (1.00)

d

=

Diámetro mínimo de las partículas a remover (0.005 m)

reemplazando: Vr =

(8)(0.04) (981)(1.65)(0.005 ) 0.03

Vr = 293 cm/seg

•

Condiciones de operación del módulo:

Operación inicial en el año 2006:

95

Se tomo el caudal de operación como el caudal medio diario de 2005, es decir 15.86 Lt/seg. Se obtuvo el valor del tiempo de retención según la ecuación (42):

θ= donde:

V Q

θ

=

Tiempo de retención de las partículas para el año 2005

V

=

Volumen del tanque (49.78 m3)

Q

=

Caudal medio diario para el año 2005 (0.01586 m3/seg)

reemplazando: θ=

49.78 0.01586

θ = 0.87 hr 0.5 hr ≤ θ ≤ 4 hr

OK

Se obtuvo el caudal de operación según la ecuación (38), pero reemplazando el valor del caudal por el medio diario para el año 2005: q=

0.01586 x 86400 33.19

q = 41.29 m3 / m2 * día 15 m3 / m2 * día ≤ q ≤ 80 m3 / m2 * día

•

Cálculo de los elementos del desarenador:

Vertedero de salida:

96

OK

La altura de la lámina de agua sobre el vertedero se obtuvo con ayuda de la ecuación (43), que es muy semejante a la ecuación (7): 2

⎛ Q ⎞3 Hv = ⎜ ⎟ ⎝ 1.84 B ⎠

donde:

(43)

Q

=

Caudal de diseño

(0.019 m3/seg)

B

=

Ancho del desarenador

(2.88 m)

H

=

Altura de la lámina de agua sobre el vertedero

reemplazando:

Hv =

0.019 (1.84)(2.88)

2 3

Hv = 0.023 m

La velocidad del agua cuando pase por el vertedero se obtuvo con ayuda de la ecuación (46): Vv =

donde:

Q B Hv

(44)

Vv

=

Velocidad del agua al pasar por el vertedero

B

=

Ancho del desarenador (2.88m)

H

=

Altura de la lámina de agua sobre el vertedero (0.0195 m)

Q

=

Caudal de diseño (0.019 m3/seg)

reemplazando:

97

Vv =

0.019 (2.88)(0.023 )

Vv = 0.29 m/seg

Se aplico la ecuación del alcance horizontal de la vena vertiente para hallar el valor de la longitud del vertedero, es decir, que para obtener dicho valor se usaron las ecuaciones (45) y (46): 2

4

Xs = 0.36 Vv 3 + 0.60 Hv 7

donde:

(45)

Xs

= Alcance filo superior

Vv

= Velocidad del vertedero (0.29 m/seg)

Hv

= Altura de la lámina de agua sobre el vertedero (0.023 m)

reemplazando: 2 3

X s = (0.36)(0.29) + (0.60)(0.023 )

4 7

Xs = 0.19 m

Lv = Xs + 0.10 donde:

Lv Xs

=

Longitud del vertedero

=

Alcance filo superior

reemplazando: Lv = 0.19 + 0.10 Lv = 0.29 m 98

(46)

(0.19 m)

Entonces por aproximación se adopto la longitud del vertedero como 0.30 m. •

Pantalla de salida:

Profundidad: H/2 = 1.50/2 = 0.75 m Distancia al vertedero de salida: 15 Hv = (15)( 0.023) = 0.35 m •

Pantalla de entrada:

Profundidad: H / 2 = 1.50 / 2 = 0.75 m Distancia a la cámara de aquietamiento: L / 4 = 8.64/ 4 = 2.16 m •

Almacenamiento de lodos:

Relación longitud: prof. lodos: 10 Profundidad máxima: 8.64/ 10 = 0.864m Profundidad máxima adoptada: 1.00 m Profundidad mínima adoptada: 0.80 m Dist. Pto. de salida a la cámara de aquietamiento: L / 3 = 8.64/ 3 = 2.88 m Dist. Pto. de salida al vertedero salida: 2L / 3 = (2)(8.64) / 3 = 5.76 m Pendiente transversal:(1.0-0.8)/2.88 = 6.94 % Pendiente longitudinal en la mayor dimensión (en L/3): 0.2/2.88= 6.94% Pendiente longitudinal en la menor dimensión (en 2L/3): 0.2/5.76= 3.47% •

Cámara de aquietamiento:

Profundidad: H / 3 = 1.50 / 3 = 0.50 m Ancho: B / 3 = 2.88 / 3 = 0.96m Largo (adoptado): 1.00 m •

Rebose de la cámara de aquietamiento:

99

Qexceso = 0.021 – 0.020 = 0.001m3/seg Se obtuvo la altura sobre el vertedero de excesos de la cámara de aquietamiento, con la ecuación (47), que es la misma ecuación (43), pero que se adapto para el presente caso: 2

⎞3 ⎛Q He = ⎜⎜ excesos ⎟⎟ ⎝ 1.84 L e ⎠ Qexcesos= Caudal de excesos

donde:

(47)

(0.001 m3/seg)

Le

=

Largo adoptado (1.00m)

He

=

Altura sobre el vertedero de excesos de la cámara de aquietamiento

reemplazando: 0.001 He = (1.84)(1.0)

2 3

He = 0.007 m

Se obtuvo la velocidad de excesos en la cámara de aquietamiento, según la ecuación (50): Ve =

Q excesos He L e

(48)

donde: Ve

= Velocidad de excesos en la cámara de aquietamiento

Qexcesos= Caudal de excesos (0.001 m3/seg) Le

= Largo adoptado (1.00m) 100

He

= Altura sobre el vertedero de excesos de la cámara de

aquietamiento (0.007 m) Ve =

0.001 (0.007)(1.0)

Ve = 0.14 m/seg Se obtuvo el alcance horizontal del chorro por medio de la ecuación (45) con las modificaciones para este caso, y la longitud del vertedero: 2 3

X s =(0.36)(0.14) + (0.60)(0.007 )

4 7

Xs = 0.13 m Lr = 0.13 + 0.10 Lr = 0.23 m

Se comparo el valor anterior con el ya obtenido para el ancho de una sección de la cámara de aquietamiento, es decir 0.96 m, y se adoptó el mayor como ancho real, es decir: (B – ancho)/2 = (2.88 -0.96)/2 = 0.96 se adopta 0.96 m •

Perfil hidráulico:

Pérdidas a la entrada de la cámara de aquietamiento: Se obtuvieron con la ecuación (49) que corresponde a la ecuación de pérdidas por aditamentos:

101

hm = k donde:

V2 2g

(49)

hm

=

Pérdidas a la entrada de la cámara

k

=

Constante por entrada (0.2 por pérdida de velocidad)

V

=

Velocidad en la entrada de la cámara

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

El valor de la velocidad en la entrada de la cámara se obtuvo por continuidad, y el caudal que se tomo es el máximo diario para el año 2026, es decir 0.020 m3/seg: V=

Q 0.020 = = 0.042 m/seg A 0.96x0.5

reemplazando en la ecuación (31): hm = (0.2)

(2.331) 2 (2) (9.81)

hm = 0.055 m

Pérdidas a la entrada de la zona de sedimentación:

El valor de la velocidad a la entrada de la sedimentación se obtuvo a partir de la diferencia entre la velocidad a la entrada de la cámara y la velocidad horizontal 0.417 cm/seg = 0.00417 m/seg, y las pérdidas a la entrada de la zona de

102

sedimentación se obtuvieron reemplazando datos en la ecuación (49), en este caso, el valor de la constante k es 0.1: hm = (0.1)

(0.055 - 0.00417)2 (2) (9.81)

hm = 0.0000132 m Pérdidas por las pantallas inicial y final: Estas pérdidas se obtuvieron como las pérdidas de un orificio sumergido de grandes dimensiones, para lo que se uso la ecuación (24), pero reemplazando los datos de este caso: Q = Cd A 0 2 g

A0 = 2.88 x 0.72 = 2.07 m2 Despejando las pérdidas: H=

Q2 2

2

A 0 Cd 2 g

(0.020) 2 H= (2.07) 2 (0.3) 2 (2) (9.81) H = 0.0000529 m ≅ 0.00 m

Cálculo de los diámetros de la tubería de excesos y lavado:

Tubería de excesos: Se tomó el diámetro mínimo para tal fin, que corresponde a 4 pulgadas. Tubería de lavado: Cota de entrega del desagüe de lavado: 1447.91

103

Cota de lámina de agua sobre la tubería: Cota de la lámina de agua a la entrada – pérdidas = 1450.82 – 0.02 = 1451.80 Se tomó el diámetro del desagüe como: 4” = 0.102 m Tubería PVC RDE -26 C = 150 Diámetro real: 105.52 mm Longitud de la conducción: 50 m Altura disponible: 1450.81 – 1447.91 = 2.90 m Pérdidas de la aducción en longitud equivalente: Entrada normal:

2.50 m

Válvula de compuerta:

1.10 m

Codo radio corto:

4.90 m

Te cambio de sección:

10.00 m

Salida:

5.00 m

Tubería:

50.00 m

L.E. total:

73.50 m

Se obtuvo la relación entre la altura disponible y las pérdidas en longitud equivalente: J=

J=

H L.E.

2.90 73.50

J = 0.04 m/m

104

Se obtuvo el valor del caudal inicial en el momento del lavado del desarenador con la ecuación (28) que es la de Hazen-Williams: Qinicial = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde: Qinicial = Caudal inicial en el momento del lavado del desarenador C

= Constante del tipo de tubería (para tubería PVC-RDE 26, el valor es 150)

D

= Diámetro real de la tubería (0.1052 m)

J

= Relación entre la altura disponible y las pérdidas en longitud equivalente (0.04 m/m)

reemplazando: Qinicial = (0.2785) (150) (0.1052)2.63 (0.04)0.54 Qinicial = 0.02 m3/seg

Se obtuvo e valor de la velocidad de este caudal inicial por medio de la ecuación de continuidad: Q=VA V=

V=

Q A

0.02 π (0.102)2 4

V = 2.29 m/seg

105

Se obtuvo el valor de la cabeza de velocidad o altura cinética para estas condiciones: v2 2g

= inicial

v2 2g

(2.29) 2 (2)(9.81)

= 0.27m inicial

Se obtuvo el valor del coeficiente de descarga para estas condiciones, despejándolo de la ecuación (24), pero en este caso para la tubería de lavado: Cd =

Cd =

Q A0 2 g H 0.02

( π )(0.102) 4

2

(

(2) (9.81) (1.50 + 1.00) )

Cd = 0.32

Se uso la ecuación de descarga de un orificio para obtener el valor del tiempo de vaciado del tanque del desarenador: t=

donde:

2 As Cd A 0 2 g

1

H2

(50)

t

=

Tiempo de vaciado del tanque

As

=

Área superficial del tanque (45.63 m2)

Cd

=

Coeficiente de descarga (0.32)

A0

=

Área de la tubería con el diámetro real (D = 0.102 m) 106

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

H

=

Altura disponible (2.90 m)

reemplazando:

t=

(2) (45.63 ) ( π ) (0.102) 2 (0.48) ( (2) (9.81) ) 4

(2.90)

1 2

t = 8384 seg = 138 min

•

Cálculo de cotas desarenador:

Cota de batea de la tubería de entrada

=

1450.71

Cota lámina de agua en tubería de entrada

=

1450.71 + 0.09 = 1450.08

=

1450.08 – 0.001 = 1450.07

Cota lámina de agua en cámara de aquietamiento Cota de la cresta del vertedero de la cámara de aquietamiento

=

1450.07 – 0.007 = 1450.06

=

1450.07 – 0.50 = 1449.57

=

1450.07 – 0.00 = 1450.07

=

1450.08 + 0.4 = 1450,48

Cota fondo de la cámara de aquietamiento Cota lámina de agua en zona de sedimentación Cota de la corona de los muros del desarenador Cota inferior de pantallas de entrada y salida del desarenador

= 107

1450.07 – 0.75 = 1449.32

Cota del fondo de profundidad útil de sedimentación

=

1450.07 – 1.50 = 1448.57

del desarenador

=

1448.57 – 0.80 = 1447.77

Cota placa fondo en punto de desagüe

=

1448.57 – 1.00 =1447.57

Cota de batea de la tubería de lavado

=

1447.57

Cota clave de la tubería de lavado

=

1447.57 + 0.106 = 1447.68

Cota cresta del vertedero de salida:

=

1450.07 – 0.023= 1450.05

=

1450.05 – 0.15 = 1449.9

=

1449.9 – 0.30 = 1449.6

Cota placa fondo a la entrada y salida

Cota lámina de agua de la cámara de recolección: Cota fondo de la cámara de recolección (supuesta)

DISEÑO BOCATOMA QUEBRADA CAMENZO

•

Caudal de diseño: El caudal de la quebrada Camenzo según el aforo realizado es 33 L.p.s.

•

Aforo de la quebrada: El caudal de la quebrada Camenzo, en tiempo seco es de 0.20 m3/seg, el caudal medio es de 0.45 m3/seg y el caudal máximo es de 2.5 m3/seg.

•

Ancho de la quebrada: en el lugar de captación el ancho de la quebrada es de 3.60 m.

108

DISEÑO DE LA PRESA

Se tomó un ancho de la presa inicial de 2.5 m. La altura de la lámina de agua en las condiciones de diseño se obtuvo con la siguiente ecuación:

Q = 1.84 L H1.5 donde:

(7)

Q

=

Caudal de diseño

(0.033 m3/seg)

L

=

Longitud del vertedero

(2.5m)

H

=

Carga sobre la cresta del vertedero

Despejando la carga sobre la cresta del vertedero: 2

⎛ Q ⎞3 H=⎜ ⎟ ⎝ 1.84 L ⎠

Reemplazando por los valores conocidos: 2

⎛ 0.033 ⎞ 3 ⎟⎟ H = ⎜⎜ ⎝ (1.84 )(2.5 ) ⎠ H = 0.037 m

Se realizó la corrección por las dos contracciones laterales: L’ = L – 0.1 n H donde:

(8)

n

=

Número de contracciones laterales (2)

L’

=

Longitud del vertimiento corregida

L

=

Longitud del vertimiento (2.5 m)

reemplazando:

109

L’

=

2.5 – (0.2) (0.037)

L’

=

2.493 m

La velocidad de la quebrada sobre la presa correspondiente se obtuvo según la siguiente ecuación: V=

donde:

Q L' H

(9)

V

=

Velocidad de la quebrada sobre la presa

Q

=

Caudal de diseño (0.033m3/seg)

L’

=

Longitud del vertimiento (2.943 m)

H

=

Carga sobre la cresta del vertedero (0.037 m)

reemplazando: V=

0.033 (2.493)(0.037)

V = 0.358 m/seg 0.3 m/seg < 0.358 m/seg < 3.0 m/seg Æ OK

•

Diseño de la rejilla y canal de aducción:

El ancho del canal de aducción se calculó con la ecuación de alcance de chorro: 2

4

Xs = 0.36 Vr 3 + 0.60 H 7 donde:

Xs

(10)

=

Alcance filo superior

Vr

=

Velocidad de la quebrada (0.358 m/seg)

H

=

Profundidad de la lámina de agua sobre la presa (0.037 m) 110

reemplazando: 2

4

X s = (0.36)(0.358) 3 + (0.60)(0.037) 7 Xs = 0.273 m

3

4

Xi = 0.18 Vr 7 + 0.74 H 4 donde:

Xi

(11)

=

Alcance filo inferior

Vr

=

Velocidad de la quebrada (0.358 m/seg)

H

=

Profundidad de la lámina de agua sobre la presa (0.037 m)

reemplazando: 4 7

X i = (0.18)(0.358) + (0.74)(0.037) Xi = 0.163 m

B = Xs + 0.10 donde:

(12)

B

=

Ancho del canal de aducción

Xs

=

Alcance filo superior (0.273 m)

reemplazando: B = 0.273 + 0.10 B = 0.373 m

111

3 4

Entonces por aproximación se adopto el ancho de la rejilla y del canal de aducción de 0.40 m.

•

Longitud de la rejilla y número de orificios:

Se tomaron barras de ¾”, con separación de 5 cm entre estas y la velocidad entre estas se supuso igual a 0.2 m/seg; con estos datos se realizaron los siguientes cálculos: An =

donde:

An

Q 0.9 Vb

(12)

=

Área neta de la rejilla

Vb

=

Velocidad entre barrotes (0.2 m/seg)

Q

=

Caudal de diseño (0.033 m3/seg)

reemplazando: An =

0.033 (0.9)(0.2)

A n = 0.183 m 2

An =

donde:

a

a B Lr a+b

(13)

=

Separación entre barrotes (0.05 m)

Lr

=

Longitud de la rejilla

b

=

Diámetro de cada barrote (0.0191m)

112

An

=

Área neta de la rejilla (0.183m2)

B

=

Ancho del canal de aducción (0.40 m)

reemplazando: Lr =

(0.183) (0.05 + 0.0191) (0.05)(0.40) Lr = 0.632 m

Se tomó la longitud como 0.65 m, recalculando: An =

0.05 x 0.40 x 0.65 (0.9 + 0.0191) A n = 0.756 m 2

El número de orificios fue: N=

N=

An axB

0.756 (0.05)(0.65)

N = 23.26 orificios

Se adoptaron 24 orificios, separados entre sí 5 cm. entonces se recalculan los datos para obtener las dimensiones de la rejilla: A n = (0.05)(0.40)(24) = 0.48 m 2

113

Vb =

Lr =

0.033 = 0.076 m/s (0.9)(0.48)

(0.48)(0.05 + 0.0191) = 1.67m (0.05)(0.40)

Entonces se adoptó el valor de 1.67 m de largo para la rejilla. Se instalaran dos rejillas para prever que durante el verano se cuente con el suficiente caudal.

Los niveles de agua en el canal de aducción son: •

Aguas abajo: 1

⎛ Q2 ⎞ 3 ⎟ he = hc = ⎜⎜ 2 ⎟ ⎝ gB ⎠

donde:

(14)

he

=

Profundidad aguas abajo

hc

=

Profundidad crítica

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

Q

=

Caudal de diseño (0.033 m3/seg)

B

=

Ancho del canal de aducción (0.40 m)

reemplazando: (0.033) 2 hc = (9.81)(0.40) 2

1 3

hc = 0.089 m •

Aguas arriba: Lcanal = Lrejilla + espesor del muro Lcanal = 1.67 + 0.30 114

(15)

Lcanal = 1.97 m Se adoptó una pendiente de 4%:

⎡ 2 ⎛ iL ⎞ ho = ⎢2he + ⎜ he − c ⎟ 3 ⎠ ⎝ ⎢⎣ donde:

2

1 2

⎤ 2 ⎥ − iLc 3 ⎥⎦

(16)

ho

=

Profundidad aguas arriba

i

=

Pendiente del fondo del canal (4%)

Lc

=

Longitud del canal (1.97m)

he

=

Profundidad aguas abajo (0.089 m)

reemplazando: 1

2 ⎡ (0.04)(1.97) ⎞ ⎤ 2 ⎛ 2 = + h o ⎢(2)(0.089) ⎜ 0.089 ⎟ ⎥ 3 ⎝ ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢

2 (0.04)(1.97) 3

ho = 0.106 m La altura total de los muros de aducción es: Ho = ho + BL

(17)

donde: ho = Profundidad aguas arriba (0.106m) BL = Profundidad del canal de aducción (0.15 m) H0 = Profundidad aguas arriba del canal de aducción más lámina de agua reemplazando: Ho = 0.106 + 0.15 Ho = 0.256m ≈ 0.26 m He = Ho + i Lc 115

(18)

donde: H0 = Profundidad aguas arriba del canal de aducción más lámina de agua (0.26m) He = Profundidad aguas abajo del canal de aducción más lámina de agua I

= Pendiente del fondo del canal (4%)

Lc = Longitud del canal (1.97 m)

reemplazando: He = 0.26 + (0.04)(1.97) He = 0.34m

La velocidad del agua al final del canal fue según la ecuación (19): Ve =

donde:

Q B he

(19)

Ve

=

Velocidad del canal al final del canal

B

=

Ancho de la rejilla (0.40 m)

he

=

Profundidad aguas abajo (0.089 m)

Q

=

Caudal de diseño (0.033 m3/seg)

reemplazando: Ve =

0.033 (0.40)(0.089)

Ve = 0.927m/seg 0.3 m/seg < 0.927 m/seg < 3.0 m/seg Æ OK

116

•

Diseño de la cámara de recolección: 2

4

Xs = 0.36 Ve 3 + 0.60 he 7

donde:

(20)

Xs

=

Alcance filo superior

Ve

=

Velocidad del canal al final del canal (0.927 m/seg)

he

=

Profundidad aguas abajo (0.089m)}

reemplazando: 2 3

X s = (0.36)(0.927) + (0.60)(0.089)

4 7

Xs = 0.493 m

4

3

Xi = 0.18 Ve 7 + 0.74he 4 donde:

(21)

Xi =

Alcance filo inferior

Ve =

Velocidad del canal al final del canal (0.927m/seg)

he =

Profundidad aguas abajo (0.089 m)

reemplazando: 4

3

X i = (0.18)(0.927) 7 + (0.74)(0.089) 4 Xi = 0.293m

Bcámara = Xs + 0.30 donde:

Xs

=

Bcámara =

(22)

Alcance filo superior (0.493 m) Ancho de la cámara

117

reemplazando: Bcámara = 0.493 + 0.30 Bcámara = 0.793 m La cámara tendrá las siguientes dimensiones 1.20 m x 1.20 m libres, con un acceso de 1.0 m x 1.0 m. El fondo de la cámara estará a 55 cm por debajo de la cota de canal de aducción a la entrega.

•

Cálculo de la altura de los muros de contención:

Como el caudal máximo de la quebrada Camenzo es 2.5 m3/seg, entonces la altura de la lámina de agua en la garganta de la bocatoma se obtuvo con la siguiente ecuación: 2

⎛ Q ⎞3 H=⎜ ⎟ ⎝ 1.84 L ⎠

donde:

(23)

Q

=

Caudal máximo de la quebrada (2.5 m3/seg)

L

=

Longitud del vertedero (2.5 m)

H

=

Carga sobre la cresta del vertedero

reemplazando: 2.5 H= (1.84)(2.5)

H = 0.666 m

118

2 3

•

Cálculo del caudal de excesos:

Como el caudal medio de la quebrada Camenzo es 0.60 m3/seg, entonces la altura de la lámina de agua en la garganta y el caudal de excesos se obtuvo con la ecuación (23). 0.60 H= (1.84)(2.5)

2 3

H = 0.26 m La capacidad máxima de de captación de la rejilla se puede aproximar al caudal a través de un orificio, para lo que se uso la ecuación (24): Qcaptado = Cd A neta 2 g H donde:

(24)

Qcaptado=

Caudal a través de la rejilla

Cd

Coeficiente de descarga (0.3)

=

Aneta =

Área neta de la rejilla (0.48 m2)

H

Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (0.26 m)

=

reemplazando: Q captado = (0.3)(0.180) (2)(9.81)(0.26) Qcaptado = 0..33m3/seg

El caudal de excesos se obtuvo por la diferencia entre el caudal captado a través de la rejilla y el caudal de diseño, por medio de la ecuación (25): Qexcesos = Qcaptado – Qdiseñado Qexcesos = 0.33 – 0.033 119

(25)

Qexcesos = 0.297 m3/seg

Las condiciones en el vertedero de excesos se obtuvieron según la ecuación (26) para la altura y la ecuación (27) para la velocidad: 2

⎛ ⎞3 Q ⎟⎟ H exc = ⎜⎜ 1.84 B cámara ⎠ ⎝ donde:

(26)

Hexc

=

Altura del vertedero de excesos

Q

=

Caudal de excesos (0.297m3/seg)

Bcámara =

Ancho de la cámara (1.10 m)

reemplazando: 2

H exc

⎛ ⎞3 0.297 ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(1.10) ⎠

Hexc = 0.278 m Vexc =

donde:

Qexc Hexc Bcámara

(27)

Vexc

=

Velocidad de excesos

Hexc

=

Altura del vertedero de excesos (0.278 m)

Q

=

Caudal de excesos (0.297m3/seg)

Bcámara =

Ancho de la cámara (1.10 m)

reemplazando: Vexc =

0.2.97 (0.278)(1.10)

Vexc = 0.971 m/seg 120

El xs se obtuvo a partir de la ecuación (20): 2

4

X s = (0.36)(0.971) 3 + (0.60)(0.278 ) 7 Xs = 0.642m •

Cálculo de cotas:

Fondo de la quebrada en la captación =

1380.73

Lámina sobre la presa: Diseño

=

1380.73 +0.037 = 1380.76

Máxima

=

1380.73+ 0.666 = 1381.40

Promedio

=

1380.73 + 0.26 = 1380.99

Corona de los muros de contención

=

1380.73+ 0.666 = 1381.40

Fondo aguas arriba

=

1380.73 - 0.26 = 1380.47

Fondo aguas abajo

=

1380.73 - 0.34 = 1380.39

Lámina aguas arriba

=

1380.47+ 0.106 = 1380.58

Lámina aguas abajo

=

1380.39 +0.089 = 1380.48

Lámina de agua

=

1380.39 – 0.26 = 1380.13

Cresta del vertedero de excesos:

=

1380.13 – 0.278 =1379.86

Fondo

=

1379.86 – 0.40 = 1379.46

Canal de aducción:

Cámara de recolección:

121

DISEÑO DE LA LÍNEA DE ADUCCIÓN BOCATOMA - DESARENADOR

Para realizar el diseño de la línea de aducción entre la bocatoma y el desarenador se tomaron los siguientes datos de entrada: •

Caudal de diseño: 33 Lt/seg.

•

Periodo de diseño: 20 años.

•

Cota de la lámina de agua a la salida de la bocatoma: 1379.46

•

Cota de descarga en el desarenador: 1375.86

•

Cota para cálculo de las pérdidas en el punto de descarga: 1379.46+5.00= 1384.46

•

Coeficiente de rugosidad de Manning: 0.009

•

Longitud de la conducción: 50 m

Pendiente de la tubería y el diámetro de correspondiente (ecuación 28) Q = S =

AR

2/3

S 1/ 2

n

(1379 . 46 − 1375 . 86 ) × 100 50

S = 7.2%

⎛ nQ D = 1, 548 ⎜⎜ 0.5 ) ⎝ (S

donde:

D n

= =

Diámetro Rugosidad (0.009) 122

3

⎞8 ⎟⎟ ⎠

Q = S =

Caudal de diseño (0.020 m3/seg) Pendiente de la línea de aducción (0.028%)

⎛ (0.009 * 0.033) D = 1,548 ⎜⎜ (0.070) 0.5 ⎝

3

⎞8 ⎟⎟ ⎠

D = 0.121 m ≈4.75”

Tomando el diámetro comercial, D = 6” ≈ 0.152 m, se aplica la (ecuación 28) para establecer las condiciones de flujo a tubo lleno: ⎛ D 8/3 S1/2 Q 0 = 0.312 ⎜⎜ n ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

⎛ (0.152) 8/3 (0.070) Q 0 = 0 . 312 ⎜⎜ 0.009 ⎝ Qo = 0.060 m3/seg Cálculo de velocidad a tubo lleno: V0 =

Q0 (Ecuación 29) A0

donde: Q0 = Caudal a tubo lleno (0.039 m3/seg) V0

= Velocidad a tubo lleno

A0

= Área del tubo (0.152m2)

V0 =

0.060 × 4 Π × ( 0 . 152 ) 2

V0 = 3.30 m/seg 123

1/2

⎞ ⎟⎟ ⎠

Cálculo de radio hidráulico a tubo lleno: R0 =

R0 =

A0 (Ecuación 29) P0

π × D 2 D 0.152 = = = 0.051 m 4 × πD 4 4 Q 0.033 = = 0.55 Qo 0.060

Con el valor de Q/Qo, se entra a la tabla 8.2 y se obtiene: Vr = 0.875 Vo

d = 0.594 D

Vr = 0.875 * Vo

Vr = 0.875 * 3.30 = 2.89

d = 0.594 * D

d = 0.594 * 0.152 = 0.090

R = 1.113 * Ro

Vr = 1.113 * 0.038 = 0.042

τ = γ × R × S ‫ = ح‬9.810 * 0.042 *0.070 ‫ = ح‬0.029 N/m2 Verificación de la cota a la salida de la bocatoma d + 1,5

V2 (2.89) 2 → 0.090 + 1,5 = 0.72m 2g 19.62

Valor aproximadamente igual al supuesto de 0.70 m.

124

R = 1.113 Ro

El caudal de excesos máximo previsto será de: Q exceso = Q lleno − Q diseño Q exceso = 0.060 − 0.033 Q exceso = 0.027m 3 / s Este será el caudal que habrá que considerar en el diseño de la estructura de excesos del desarenador. Cotas definitivas y condiciones hidráulicas serán:

•

Cota de batea a la salida de bocatoma

= 1379.46

•

Cota clave a la salida de bocatoma

= 1379.612

•

Cota de batea a la llegada al desarenador

= 1375.86

•

Cota clave a la llegada al desarenador

= 1376.01

•

Cota de la lamina de agua a la llegada al desarenador = 1375.95

DISEÑO DEL DESARENADOR CAMENZO

Condiciones de la tubería de entrada Q = 0.033 m3/s

Qo= 0.060m3/seg

V = 2.89 m/s

Vo = 3.30m/s

D == 6” ≈ 0.152 m,

d = 0.090

Condiciones de diseño del desarenador: Periodo de diseño = 20 años Número de módulos = 1 125

Caudal medio diario (año 2026) = 22.8 L/s Caudal máximo diario (año 2026) = 30.5 L/s Caudal medio diario (año 2006) =17.5 L/s Requerimiento de agua en la planta de purificación = 1.1 l/s Caudal de diseño de cada modulo =22.8 l/s Remoción de partículas de diámetro: d = 0.05 mm Porcentaje de remoción = 80% Temperatura = 23 ºC Viscosidad cinemática = 0.009815 cm2/s Grado del desarenador: n = 1 (sin deflector). Relación longitud : ancho = 3 : 1 Cota de la lamina en la tubería a la entrada del desarenador = 1375.95 Cota de la batea en la tubería en la entrada del desarenador = 1375.86

•

Cálculo de los parámetros de sedimentación:

Se obtuvo la velocidad de sedimentación de la partícula, teniendo en cuenta que el diámetro mínimo para la realización de los cálculos fue ds = 0.05m, estos datos se obtuvieron con la siguiente ecuación: Vs = donde:

g (ρ s - ρ) 2 d 18 μ

(33)

Vs

=

Velocidad de sedimentación de la partícula

g

=

Gravedad (981 cm/seg2)

ρs

=

Peso específico de la partícula (arena = 2.65) 126

ρ

=

Peso específico del agua (1.00)

μ

=

viscosidad cinemática del agua a 23° C (0.009815cm2/seg)

d

=

Diámetro mínimo de las partículas a remover (0.005 m)

reemplazando:

Vs =

981 (2.65 - 1.00 ) (0.005) 2 18 0.009815 Vs = 0.229 cm/seg

Se obtuvo la relación de

θ t

según los datos del grado del desarenador n = 1 y

remoción del 80 %, y según la tabla para hallar el valor del número de Hazen (Vs/V0), dicho valor fue 4.0

Se obtuvo el valor del tiempo en que llega una partícula al fondo, para ello se supuso una profundidad útil de sedimentación H = 1.50 m, por medio de la siguiente ecuación: t=

donde:

H Vs

(34)

t

=

Tiempo en que la partícula llega al fondo

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

127

Vs

=

Velocidad de sedimentación (0.229 cm/seg)

reemplazando: 150 0.229

t=

t = 655 seg

El período de retención se obtuvo con la siguiente ecuación: θ=4xt donde:

(35)

θ

=

Período de retención

t

=

Tiempo en que la partícula llega al fondo (803 seg)

reemplazando: θ = 4x 655.022 θ = 2620.087 seg θ = 0.72 hor 0.5 hor ≤ θ ≤ 4 hr

OK

El volumen del tanque se obtuvo por continuidad: V=θxQ V = 2620 x 0.0228 V = 59.74 m3

El área superficial del tanque se obtuvo por la siguiente ecuación: As =

V H

128

(36)

donde:

As

=

Área superficial del tanque

V

=

Volumen del tanque (59.74 m3)

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

reemplazando: As =

59.74 1.50

As = 39.83 m2

Y se obtuvieron las dimensiones del tanque, según la relación L:B = 3:1: la base se obtuvo según la ecuación: B=

As 4

B=

(37)

39.83 4

B = 3.16 m

Por lo que el largo se obtuvo según la relación: L = 3x B L = 3x 3.16 L = 9.48m

El valor de la carga hidráulica del tanque se obtiene según la siguiente ecuación: q=

Q As

(38)

129

donde:

q

=

Carga hidráulica del tanque

Q

=

Caudal medio diario en el 2026 (0.0228m3/seg)

As

=

Área superficial del tanque (39.83 m2)

reemplazando: q=

0.0228 39.83

q = 0.000572m3 / m2 * seg q = 49.42 m3 / m2 * día 15 m3 / m2 * día ≤ q ≤ 80 m3 / m2 * día

Como se sabe que la carga hidráulica superficial es igual

a la velocidad de

sedimentación de la partícula crítica en condiciones teóricas, Vo, se halló el valor del diámetro para esta velocidad: V0 = q = 0.000572m / seg = 0.057cm/ seg El diámetro se halló despejando dicho valor de la ecuación (33): d=

d=

V0 x 18 x μ g x ( ρs - ρ )

0.057 x 18 x 0.009815 981 x (2.65 - 1.00) d = 0.0025 cm d = 0.03 mm

130

Teóricamente, se removerían partículas hasta de 0.03 mm, pero en las condiciones reales el diámetro máximo posible de las partículas para ser removidas, es de 0.05 mm. Se obtuvo el valor de la velocidad horizontal por medio de la ecuación (39): Vh =

donde:

Vo L H

(39)

Vh

=

Velocidad horizontal

Vo

=

Velocidad de sedimentación de la partícula crítica en condiciones teóricas (0.057 cm/seg)

L

=

Largo del desarenador (9.48m)

H

=

Profundidad útil de sedimentación (1.50 m)

reemplazando: Vh =

(0.057)(9.48) 1.50

Vh = 0.360 cm/seg La velocidad horizontal máxima se obtuvo por medio de la ecuación (40): Vh máx = 20 Vs donde:

(40)

Vh máx = Velocidad horizontal máxima Vs

= Velocidad de sedimentación de la partícula (0.229cm/seg)

reemplazando: Vh máx = (20)(0.229) Vh máx = 4.58 cm/seg

131

La velocidad de suspensión máxima se obtuvo por medio de la ecuación (41): Vr =

8k g (ρ s − ρ) d f

(41)

donde: Vr = Velocidad de suspensión máxima k = Constante (para sedimentación de arenas es igual a 0.04) f = Constante (para sedimentación por simple acción de la gravedad, cuando no hay coagulación, es igual a 0.03) g = Gravedad (981 cm/seg2) ρs = Peso específico de la partícula (arena = 2.65) ρ = Peso específico del agua (1.00) D = Diámetro mínimo de las partículas a remover (0.005 m)

reemplazando: Vr =

(8)(0.04) (981)(1.65 )(0.005 ) 0.03

Vr = 9.29 cm/seg

•

Condiciones de operación del módulo:

Operación inicial en el año 2005: Se tomo el caudal de operación como el caudal medio diario de 2005, es decir Lt/seg. Se obtuvo el valor del tiempo de retención según la ecuación (42): 132

θ=

donde:

V Q

(42)

θ

=

Tiempo de retención de las partículas para el año 2005

V

=

Volumen del tanque (59.74 m3)

Q

=

Caudal medio diario para el año 2005 (0.0185 m3/seg)

reemplazando: θ=

59.74 0.0185

θ = 0.89 hr 0.5 hr ≤ θ ≤ 4 hr

OK

Se obtuvo el caudal de operación según la ecuación (38), pero reemplazando el valor del caudal por el medio diario para el año 2005: q=

0.0185 x 86400 39.83

q = 40.13m3 / m2 * día 15 m3 / m2 * día ≤ q ≤ 80 m3 / m2 * día

•

OK

Cálculo de los elementos del desarenador:

Vertedero de salida: La altura de la lámina de agua sobre el vertedero se obtuvo con ayuda de la ecuación (43), que es muy semejante a la ecuación (7): 2

⎛ Q ⎞3 Hv = ⎜ ⎟ ⎝ 1.84 B ⎠

133

(43)

donde:

Q

=

Caudal de diseño

(0.0228m3/seg)

B

=

Ancho del desarenador

(3.16m)

H

=

Altura de la lámina de agua sobre el vertedero

reemplazando: 2

⎛ 0.0228 ⎞ 3 ⎟⎟ H v = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(3.1 6) ⎠

Hv = 0.025 m

La velocidad del agua cuando pase por el vertedero se obtuvo con ayuda de la ecuación (46): Vv =

donde:

Q B Hv

(44)

Vv

=

Velocidad del agua al pasar por el vertedero

B

=

Ancho del desarenador (3.16m)

H

=

Altura de la lámina de agua sobre el vertedero (0.025 m)

Q

=

Caudal de diseño (0.0228 m3/seg)

reemplazando: Vv =

0.0228 (3.16)(0.025)

Vv = 0.29 m/seg

134

Se aplico la ecuación del alcance horizontal de la vena vertiente para hallar el valor de la longitud del vertedero, es decir, que para obtener dicho valor se usaron las ecuaciones (45) y (46): 2

4

Xs = 0.36 Vv 3 + 0.60 Hv 7

donde:

(45)

Xs, = Alcance filo superior Vv

= Velocidad del vertedero (0.29 m/seg)

Hv

= Altura de la lámina de agua sobre el vertedero (0.025 m)

reemplazando: 2

4

X s = (0.36)(0.29) 3 + (0.60)(0.025) 7 Xs = 0.23 m

Lv = Xs + 0.10 donde:

Lv

=

Longitud del vertedero

Xs

=

Alcance filo superior

(46)

(0.23 m)

reemplazando: Lv = 0.23+ 0.10 Lv = 0.33 m Entonces por aproximación se adopto la longitud del vertedero como 0.35m. •

Pantalla de salida:

Profundidad: H/2 = 1.50/2 = 0.75 m Distancia al vertedero de salida: 15 Hv = (15)(0.025) = 0.38 m = 0.40 m 135

•

Pantalla de entrada:

Profundidad: H / 2 = 1.50 / 2 = 0.75 m Distancia a la cámara de aquietamiento: L / 4 = 9.48/ 4 = 2.37 m •

Almacenamiento de lodos:

Relación longitud: prof. lodos: 10 Profundidad máxima: 9.48/ 10 = 0.948 m Profundidad máxima adoptada: 1.0 m Profundidad mínima adoptada: 0.80 m Dist. Pto. de salida a la cámara de aquietamiento: L / 3 = 9.48 / 3 = 3.16 m Dist. Pto. de salida al vertedero salida: 2L / 3 = (2)(9.48) / 3 = 6.32 m Pendiente transversal: (1.0-0.8)/3.16=6.33% Pendiente longitudinal en la mayor dimensión: 0.2/3.16=6.33% Pendiente longitudinal en la menor dimensión: 0.2/6.32=3.16% •

Cámara de aquietamiento:

Profundidad: H / 3 = 1.50 / 3 = 0.50 m Ancho: B / 3 = 3.16 / 3 = 1.05m = 1.10 m Largo adoptado: 1.00 m •

Rebose de la cámara de aquietamiento:

Se usa el valor del caudal de excesos obtenido por diferencia de caudales, y este valor es el que ya se había calculado según la diferencia entre el caudal máximo diario y el caudal medio diario: Qexceso = 0.060 – 0.033 = 0.027 m3/seg

136

Se obtuvo la altura sobre el vertedero de excesos de la cámara de aquietamiento, con la ecuación (47), que es la misma ecuación (43), pero que se adapto para el presente caso: ⎛Q ⎞ He = ⎜⎜ excesos ⎟⎟ ⎝ 1.84 L e ⎠ donde:

2 3

(47)

Qexcesos=

Caudal de excesos (0.036 m3/seg)

Le

=

Largo adoptado (1.00m)

He

=

Altura sobre el vertedero de excesos de la cámara de aquietamiento

reemplazando: 2

⎛ 0.027 ⎞ 3 ⎟⎟ H e = ⎜⎜ ⎝ (1.84)(1.0) ⎠

He = 0.060 m

Se obtuvo la velocidad de excesos en la cámara de aquietamiento, según la ecuación (50): Ve =

donde:

Ve

=

Q excesos He L e

(48)

Velocidad de excesos en la cámara de aquietamiento

Qexcesos=

Caudal de excesos (0.027m3/seg)

Le

=

Largo adoptado (1.00m)

He

=

Altura sobre el vertedero de excesos de la 137

cámara de aquietamiento (0.060 m) Ve =

0.027 (0.060)(1.0)

Ve = 0.45 m/seg Se obtuvo el alcance horizontal del chorro por medio de la ecuación (45) con las modificaciones para este caso, y la longitud del vertedero: 2 3

X s =(0.36)(0.45) + (0.60)(0.060 )

4 7

Xs = 0.33m Lr = 0.33 + 0.10 Lr = 0.43 m Se comparo el valor anterior con el ya obtenido para el ancho de una sección de la cámara de aquietamiento, es decir 1.10 m, y se adoptó el mayor como ancho real, es decir: Acámara de aquietamiento = 1.10 m cada sección

•

Perfil hidráulico:

Pérdidas a la entrada de la cámara de aquietamiento: Se obtuvieron con la ecuación (49) que corresponde a la ecuación de pérdidas por aditamentos: V2 hm = k 2g donde:

hm

=

(49)

Pérdidas a la entrada de la cámara

138

k

=

Constante por entrada (0.2 por pérdida de velocidad)

V

=

Velocidad en la entrada de la cámara

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

El valor de la velocidad en la entrada de la cámara se obtuvo por continuidad, y el caudal que se tomo es el máximo diario para el año 2026, es decir 0.031m3/seg: V=

Q 0.031 = = 0.056 m/seg A 0.5 * 1.10

reemplazando en la ecuación (31): h m = (0.2)

(2.89) (2) (9.81)

hm = 0.085m

Pérdidas a la entrada de la zona de sedimentación: El valor de la velocidad a la entrada de la sedimentación se obtuvo a partir de la diferencia entre la velocidad a la entrada de la cámara y la velocidad horizontal 0.360cm/seg = 0.00360 m/seg, y las pérdidas a la entrada de la zona de sedimentación se obtuvieron reemplazando datos en la ecuación (49), en este caso, el valor de la constante k es 0.1: h m = (0.1)

(0.056 - 0.0036) 2 (2) (9.81)

139

hm = 0.0000159m ≅ 0.00 m

•

Pérdidas por las pantallas inicial y final:

Estas pérdidas se obtuvieron como las pérdidas de un orificio sumergido de grandes dimensiones, para lo que se uso la ecuación (24), pero reemplazando los datos de este caso: Q = Cd A 0 2 g

A0 = 0.72*3.14 = 2.26 m2 Despejando las pérdidas: H=

Q2 2

2

A 0 Cd 2 g

(0.031) 2 H= (2.26) 2 (0.6) 2 (2) (9.81) H = 0.0000266 m ≅ 0.00 m

Cálculo de los diámetros de la tubería de excesos y lavado:

Tubería de excesos: Se tomó el diámetro mínimo para tal fin, que corresponde a 6 pulgadas. Tubería de lavado: Cota de entrega del desagüe de lavado: 1372.77 (Valor supuesto según cartografía) Cota de lámina de agua sobre la tubería: Cota de la lámina de agua a la entrada – pérdidas = 1375.92 – 0.02 = 1375.9 140

Se tomó el diámetro del desagüe como: 6 pulg = 0.168 m Tubería PVC RDE -41, C = 150 Diámetro real: 160 mm Longitud de la conducción: 50 m (Valor supuesto según cartografía) Altura disponible: 1375.9-1372.77-1372.77 = 3.9 m Pérdidas de la aducción en longitud equivalente: Entrada normal:

2.50 m

Válvula de compuerta:

1.10 m

Codo radio corto:

4.90 m

Te cambio de sección:

10.00 m

Salida:

5.00 m

Tubería:

50.00 m

L.E. total:

73.50 m

Se obtuvo la relación entre la altura disponible y las pérdidas en longitud equivalente: J=

J=

H L.E.

3.90 73.50

J = 0.053 m/m

141

Se obtuvo el valor del caudal inicial en el momento del lavado del desarenador con la ecuación (28) que es la de Hazen-Williams: Qinicial = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Qinicial =

Caudal inicial en el momento del lavado del desarenador

C

=

Constante del tipo de tubería (para tubería PVCRDE41, el valor es 150)

D

=

Diámetro real de la tubería (0.160 m)

J

=

Relación entre la altura disponible y las pérdidas en longitud equivalente ( 0.053 m/m)

reemplazando: Qinicial = (0.2785) (150) (0.160)2.63 (0.053)0.54 Qinicial = 0.069 m3/seg

Se obtuvo e valor de la velocidad de este caudal inicial por medio de la ecuación de continuidad: Q=VA V=

V=

Q A

0.060 ⎛π⎞ 2 ⎜ ⎟(0.160 ) ⎝4⎠

V = 3.43 m/seg

142

Se obtuvo el valor de la cabeza de velocidad o altura cinética para estas condiciones: ⎛ v2 ⎞ (3.43) 2 ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ 2g ⎠ inicial (2)(9.81) ⎛ v2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = 0.60 m ⎝ 2g ⎠ inicial

Se obtuvo el valor del coeficiente de descarga para estas condiciones, despejándolo de la ecuación (24), pero en este caso para la tubería de lavado: Cd =

Cd =

Q A0 2 g H 0.069

⎛ ( π )(0.160 ) ⎜⎜ 4 ⎝

2

⎞ ⎟⎟ ⎠

( (2) (9.81) (1.50 + 1.00) )

Cd = 0.49

Se uso la ecuación de descarga de un orificio para obtener el valor del tiempo de vaciado del tanque del desarenador: t=

donde:

2 As Cd A 0 2 g

H

1 2

(50)

t

=

Tiempo de vaciado del tanque

As

=

Área superficial del tanque (39.83 m2)

Cd

=

Coeficiente de descarga (0.49)

A0

=

Área de la tubería con el diámetro real (D = 0.160 143

m) g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

H

=

Altura disponible (3.90 m)

reemplazando: 1

(2) (39.83) t= (3.90 ) 2 ⎛ ( π ) (0.160) 2 ⎞ ⎟⎟ ( (2) (9.81) ) (0.49) ⎜⎜ 4 ⎝ ⎠

t = 3604.93 seg = 60 min

•

Cálculo de cotas desarenador:

Cota de batea de la tubería de entrada

=

Cota lámina de agua en tubería de entrada =

1375.86 1375 + 0.09 = 1375.95

Cota lámina de agua en cámara de aquietamiento

=

1375.92 – 0.085 = 1375.84

=

1375.84 – 0.060 = 1375.76

=

1375.84 – 0.50 = 1375.34

=

1375.84 – 0.00 = 1375.84

=

1375.92 + 0.30 = 1376.22

Cota de la cresta del vertedero de la cámara de aquietamiento Cota fondo de la cámara de aquietamiento Cota lámina de agua en zona de sedimentación Cota de la corona de los muros del desarenador Cota inferior de pantallas de entrada y 144

salida del desarenador

=

1375.84 – 0.75 = 1375.09

=

1375.84 – 1.50 = 1374.34

Cota del fondo de profundidad útil de sedimentación Cota placa fondo a la entrada y salida del desarenador

=

1374.34 – 0.80 = 1373.54

Cota placa fondo en punto de desagüe

=

1374.34 – 1.00 = 1373.34

Cota de batea de la tubería de lavado:

=

1373.34

Cota clave de la tubería de lavado:

=

1373.34 + 0.152 = 1374,50

Cota cresta del vertedero de salida:

=

1375.84 – 0.025 = 1375.82

=

1375.82 – 0.15 = 1375.67

=

1375.67 – 0.30 = 1375.37

Cota lámina de agua de la cámara de recolección: Cota fondo de la cámara de recolección (supuesta):

•

Trazado aducción y conducción tramo 1 Aguas Claras:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo B, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 14. Tabla 14. Perfil aducción y conducción tramo 1 Aguas Claras. ABSCISA RASANTE 0 1454,35

CLAVE 1453,55

LONGITUD

145

PENDIENTE

DELTA

ADITAMENTO

10,03

1451,96

1451,16

33,36

1451,78

1450,98

53,85

1451,46

1450,66

72,41

1449,79

1448,99

83,61

1448,13

1447,33

97,98

1444,27

1443,47

114,8

1442,41

1441,61

133,68

1439,77

1438,97

143,9

1439,1

1438,3

155,26

1437,81

1437,01

180,82

1437,78

1436,98

188,37

1436,81

1436,01

192,9

1436,51

1435,71

196,7

1435,74

1434,94

217,54

1435,3

1434,5

227,78

1434,32

1433,52

247,18

1435,74

1434,94

264,15

1433,76

1432,96

290,88

1432,12

1431,32

295,07

1431,06

1430,26

315,02

1429,59

1428,79

334,06

1428,49

1427,69

361,32

1423,53

1422,73

10,05

24,38

23,82

23,29

0,56

-1,00

20,53

1,56

-7,09

18,61

8,65

-6,18

11,19

14,83

-11,87

14,27

26,70

16,27

16,87

10,43

-3,03

18,87

13,46

7,13

10,27

6,33

-4,49

11,37

10,82

10,70

25,58

0,12

-12,69

7,50

12,80

4,61

4,51

8,20

-10,18

3,75

18,38

15,94

20,94

2,43

-7,22

10,25

9,66

1,98

19,41

7,68

-3,99

16,97

11,67

5,00

25,78

6,67

-17,03

11 1/4º

4,22

23,71

16,48

11 1/4º

20,06

7,23

-5,77

19,08

13,00

0,15

27,33

12,84

1,46

146

11 1/4º

11 1/4º

11 1/4º

386,62

1420,58

1419,78

399,06

1419,97

1419,17

411,03

1417,86

1417,06

412,55

1416,8

1416

424,91

1416,12

1415,32

435,18

1413,25

1412,45

457,16

1410,15

1409,35

459,86

1407,95

1407,15

464,59

1406,71

1405,91

487,94

1406,81

1406,01

496,25

1407,06

1406,26

507,01

1405,87

1405,07

525,73

1404,37

1403,57

543,63

1402,02

1401,22

551,73

1400,1

1399,3

567,31

1399,25

1398,45

592,81

1400,98

1400,18

601,98

1401,88

1401,08

634,39

1402,4

1401,6

653,52

1400,81

1400,01

684,27

1399,83

1399,03

701,86

1396,49

1395,69

720,7

1394,75

25,31

11,38

7,63

12,25

3,76

-13,43

11,99

17,19

-52,69

1,50

69,87

64,24

12,42

5,64

-22,35

10,25

27,99

13,92

21,97

14,07

-68,36

22 1/2º + 11 1/4º

2,64

82,42

56,76

22 1/2º + 11 1/4º

4,79

25,66

25,32

11 1/4º

23,42

0,34

-2,07

8,31

2,41

-8,33

10,81

10,74

2,70

18,68

8,03

-4,62

17,95

12,65

-11,90

8,07

24,55

19,05

15,64

5,50

-1,69

25,45

7,19

-2,52

9,17

9,71

8,17

32,49

1,54

-6,78

19,12

8,32

5,29

30,75

3,02

-15,72

17,50

18,74

9,86

18,79

8,89

-5,37

1393,95

147

22 1/2º 22 1/2º + 11 1/4º 11 1/4º

11 1/4º

11 1/4º

•

730,02

1393,45

1392,65

743,28

1392,13

1391,33

766,58

1388,4

1387,6

785,93

1387,03

1386,23

826,77

1387

1386,2

836,3

1387,35

1386,55

847,8

1385,12

1384,32

849,88

1384,32

1383,52

881,86

1383,78

1382,98

935,01

1383,12

1382,32 ∑

9,26

14,25

4,36

13,24

9,90

-6,07

23,18

15,97

9,01

19,40

6,96

6,81

40,81

0,15

-3,96

9,50

4,10

-15,50

11 1/4º

11,38

19,60

-16,69

11 1/4º

2,20

36,29

34,66

22 1/2º

31,83

1,63

0,35

53,08

1,28

1,28 PURGA

933,83

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 935,01 m) = 1454,35 – 1382,32 = 72,66 m Presión de diseño = 1.3 x 72,66 = 94,46 m La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones: •

material: PVC

•

clase: RDE 26

•

tipo: 1

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23º 160 PSI – 1.10 MPa – 11.25 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

148

•

Cálculo del diámetro:

Para el diseño de la tubería se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams: Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q = Caudal de diseño (0.020 m3/seg) H = Carga hidráulica disponible C = J

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

= Pérdida de carga unitaria

D = Diámetro de la tubería

Carga hidráulica disponible: H = 1454,98 – 1383,12 = 71,86 m

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 933,83m): J=

H 71,86 = = 0,08 m/m L 933,83

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Williams se obtuvo: Q D= 0,2785 C J0.54

D=

1 2.63

0.020 (0,2785)(150)(0,08) 0.54 D = 0.092 m = 3.61 “ 149

1 2,63

Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 4”de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 4” Diámetro externo = 114,30 mm Espesor de pared = 4,39 mm Diámetro interno real = 114,30 – (4,39 * 2) Diámetro interno real = 105,52 mm

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

Q 0.020 = = 2,29 m/seg A π 2 (0,10552) 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética:

V 2 (2,29) 2 = = 0,27 m 2 g (2)(9,81)

•

Calculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 11 codos 11 ¼º 2 codos 22 ¼º 3 codos 22 ¼º + 11 ¼º hm = 0,25 * 0,27 * 11 *

33,75 22,5 11,25 +3* +2* 90 90 90

150

hm = 0,45 m Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 935,01 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) en 4” K= 0,6 hm = 0,6 * 1 * 0,27 hm = 0,162 m Perdidas por entrada normal al tubo de 4” hm = 0,5 * 0,27 hm = 0,135 m Perdidas por salida hm = 1,0 * 0,27 hm = 0,27m Perdidas Totales ∑hm = 0,45 + 0,162 + 0,135 + 0,27 ∑hm = 1,017 m

Verificación de diámetro teórico y la redistribución de longitudes: Carga hidráulica disponible: H = 1454,98 – 1383,12 – 1,017 = 70,84 m Longitud real de la tubería: L = 933,83 m Pérdida de la carga unitaria 151

J=

J=

H L

70,84 = 0,08m / m 933,83

Despejando el Diámetro 0.020 D= (0.2785)(150)(0.08) 0.54

1 2.63

= 0,092 m ≈ 3,61” ≈ 4”

Cota piezométrica inicio = 1454,98 Cota piezométrica final = 1383,12 + 5,0 = 1388,2

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 935,01 K = 18 Distancia real del desarenador = 873,89 m Cota = 1382,32 Diámetro = 4” (Real = 105,52mm) Espesor de la pared = 4,39 mm Velocidad = 2,29 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: C=

9900 48.2 + k 152

D e

donde:

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: 9900

C=

48.2 + (18)

105,52 4,39

C = 451,42 m/seg La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (873,89 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (873,89) 451,42

T = 3,87 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

CV g

153

donde:

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (2,29 m/seg)

reemplazando: ha =

(451,42)(2 ,29) 9.81

ha = 105,34 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1454,98 – 1382,32 = 72,66 m Presión total sobre la válvula

= 105,34 + 72,66 = 177,68 m

La presión total excede la presión de diseño de 112,5, por lo que hay determinar el tiempo de maniobra para que por operación normal de la válvula, no exceda la presión de diseño: Presión disponible para el golpe de ariete = 112,5 – 72,66 = 39,84 m

Tiempo de maniobra requerido para no exceder la sobre presión máxima permisible de 39,84, se calcula como: t=

t=

2LV gha

2 * 873,89 * 2,29 = 3,87seg 9,81 * 105,34

154

La válvula no podrá cerrarse en un tiempo inferior 3,87 seg.

•

Trazado conducción tramo 2 Aguas Claras:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo C, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 15.

Tabla 15. Perfil conducción tramo 2 Aguas Claras. ABSCISA 935,01 961 986,67 1004,29 1014,26 1021,41 1035,54 1047,61 1053,03 1069,32 1072,12 1077 1080,98

RASANTE CLAVE LONGITUD PENDIENTE 1383,12 1382,32 25,96 3,97 1384,11 1383,31 25,56 1,17 1383,65 1382,85 17,59 3,13 1383,09 1382,29 9,95 21,80 1380,93 1380,13 7,11 28,85 1378,83 1378,03 14,20 16,48 1376,53 1375,73 12,04 11,88 1375,13 1374,33 5,45 33,42 1373,2 1372,4 16,26 50,30 1364,61 1363,81 2,86 39,57 1363,39 1362,59 4,75 62,97 1360,42 1359,62 3,91 44,30 1358,69 1357,89

155

DELTA

ADITAMENTO

2,79 -1,95 -18,68

11 1/4º

-7,05 12,37 4,60 -21,54

11 1/4º

-16,87 10,73 -23,40

11 1/4º

18,67

11 1/4º

-49,03

22 1/2º

1085,25

1354,65

1353,85

1092,78

1350,07

1349,27

1094,3

1348,64

1347,84

1103,57

1347,26

1346,46

1113,96

1351,53

1350,73

1133,72

1344,52

1343,72

1150,03

1341,88

1341,08

1174,15

1339,04

1338,24

1193,63

1338,56

1337,76

1205,49

1339,17

1338,37

1219,72

1336,97

1336,17

1233,04

1335,78

1334,98

1247,52

1333,19

1332,39

1250,32

1331,78

1330,98

1263,09

1331,5

1330,7

1298,21

1327,65

1326,85

1302,55

1327,7

1326,9

1316,8

1324,95

1324,15

1350,26

1319,86

1319,06

1358,83

1316,61

1315,81

1373,45

1312,24

1311,44

1376,96

1309

1308,2

1384,77

1304,56

4,39

93,33

30,86

7,35

62,47

-41,79

1,32

104,26

88,95

22 1/2º + 11 1/4º

9,34

15,31

-26,17

11 1/4º

10,39

41,48

6,69

20,01

34,79

18,80

16,33

15,99

4,60

23,88

11,39

9,13

19,49

2,26

-1,56

11,78

3,82

-11,01

14,09

14,83

6,51

13,35

8,32

-10,21

14,47

18,52

-31,91

22 1/2º

2,82

50,44

43,80

22 1/2º

12,66

6,64

-2,45

35,13

9,08

5,37

4,31

3,71

-15,52

14,24

19,24

4,12

33,48

15,11

-22,26

8,51

37,37

7,73

14,61

29,64

-59,19

22 1/2º + 11 1/4º

3,50

88,84

31,59

22 1/2º

7,77

57,25

32,76

22 1/2º

1303,76

156

11 1/4º

11 1/4º

11 1/4º

11 1/4º

1392,45

1302,75

1301,95

1409,68

1301,96

1301,16

1415,67

1300,38

1299,58

1421,11

1299,38

1298,58

1425,81

1296,48

1295,68

1430,64

1294,87

1294,07

1438,46

1294,66

1293,86

1444,8

1292,12

1291,32

1451,79

1292,69

1291,89

1461,32

1290,28

1289,48

1464,17

1289,81

1289,01

1469,14

•

1287,39

1286,59 ∑

7,64

24,49

20,59

11 1/4º

17,20

3,89

-20,93

5,88

24,83

6,23

5,43

18,60

-44,92

22 1/2º

4,64

63,51

30,64

11 1/4º

4,81

32,87

30,06

11 1/4º

7,82

2,81

-36,44

22 1/2º

6,39

39,25

31,32

22 1/2º

6,93

7,94

-17,41

11 1/4º

9,47

25,35

10,31

2,79

15,04

-34,71

4,86

49,75

49,75

22 1/2º

PURGA 532,69

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 1469,19 m) = 1383,12 – 1286,59 = 96,53 m Presión de diseño = 1.3 x 96,53 = 125,49 m

La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones:

•

material: PVC

•

clase: RDE 21

•

tipo: 1

157

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23ºC 200 PSI – 1,38 MPa – 14.06 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Para el diseño de la tubería se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q

=

Caudal de diseño (0.020 m3/seg)

H

=

Carga hidráulica disponible

C

=

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J

=

Pérdida de carga unitaria

D

=

Diámetro de la tubería

Carga hidráulica disponible H = 1383,12 – 1287,39 = 95,73 m

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L= 532.69m): J=

H 95,73 = 0.18 m/m = L 532,69

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Williams se obtuvo: 158

Q D= 0.2785 C J 0.54

1 2.63

0.020 D= (0.2785)(150)(0.18) 0.54

1 2.63

D = 0.08 m = 3.3 “ Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 4”de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 4”: Diámetro externo = 114,30 mm Espesor de pared = 5.44 mm Diámetro interno real = 114.30 – (5.44 * 2) Diámetro interno real = 103.42

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

Q 0.020 = = 2.38 m/seg A π 2 (0,10342 ) 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética: (2.38) 2 V2 = = 0.29 m 2 g (2)(9.81)

•

Cálculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 13 codos 11 ¼º

159

9 codos 22 ¼º 2 codos 22 ¼º + 11 ¼º

⎛ 33,75 ⎞ 22,5 11,25 ⎟ + 9* + 2* hm = 0,25 * 08,15 *10 −5 * ⎜⎜13 * ⎟ 90 90 90 ⎝ ⎠ hm = 0.33 m

Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 1469,14 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) 4” K= 0,6 hm = 0,6 * 1 * 0.29 hm = 0.174 m Perdidas por entrada normal al tubo de 4” hm = 0,5 * 0.29 hm = 0.15 m Perdidas por salida: hm = 1,0 *0.29 hm = 8,15*10-5 m Perdidas Totales: ∑hm = 0.33 + 0.174 + 0.15 + 0.20 ∑hm = 0.85 m

Verificación de diámetro teórico y redistribución de longitudes: 160

Carga hidráulica: H = 1383,12 – 1287,39 – 0.85 = 94.88 m Longitud real de la tubería: L = 532,69 Pérdida de la carga unitaria: J= J=

H L

94.88 = 0,18m / m 532,69

Despejando el Diámetro: 0.020 D= (0.2785)(150)(0.18) 0.54

1 2.63

Cota piezométrica inicio = 11383,12 Cota piezométrica final = 1287,39 + 5,0= 1292,39 m

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 1469,14 K = 18 Distancia real del desarenador = 180,77 m Cota = 1287,39 Diámetro = 4” (Real = 103.42 m) Espesor de la pared = 5,44 m

161

= 0,08 m ≈ 3.2”

Velocidad = 2.38 m/seg

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: 9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900 ⎛ 103.42 ⎞ 48.3 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 5.44 ⎠

C = 501 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (180,77 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando:

162

T=

(2) (180,77) 501.0

T = 0,72 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha = donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad ( 2.38m/seg)

reemplazando: ha =

(501,0)(2.38) 9.81

ha = 121.5 m

Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1383,12 – 1287,399 = 95.73 m Presión total sobre la válvula = 121.5 + 95.73 = 121.23 m

La presión total no excede la presión de diseño 140,6 por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

163

•

Trazado conducción tramo 3 Aguas Claras:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo D, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 16.

Tabla 16. Perfil conducción tramo 3 Aguas Claras ABSCISA 1469,14 1474,58 1480,09 1487,06 1488,69 1502,37 1513,48 1518,97 1529,95 1539,76 1553,06 1569,17 1574,19 1584 1589,93

RASANTE CLAVE LONGITUD PENDIENTE 1287,39 1286,5900 5,41 38,46 1285,22 1284,42 5,46 25,46 1283,81 1283,01 6,97 16,65 1282,66 1281,86 1,55 52,21 1281,85 1281,05 13,17 27,93 1278,2 1277,40 11,08 23,01 1275,8 1275,00 5,40 37,97 1273,8 1273,00 10,96 16,06 1272,04 1271,24 9,83 32,56 1268,75 1267,95 13,30 10,00 1267,41 1266,61 16,13 23,74 1263,53 1262,73 5,00 17,00 1262,66 1261,86 9,76 34,74 1259,29 1258,49 5,88 41,80 1256,76 1255,96

164

DELTA

ADITAMENTO

38,46 8,80 -35,56

22 1/2º

24,28

11 1/4º

4,92 -14,96

11 1/4º

21,91

11 1/4º

-16,50

11 1/4º

22,56

11 1/4º

-13,74 6,74 -17,74

11 1/4º

-7,06 24,63

11 1/4º

1611,19

1253,04

1252,24

1617,96

1250,5

1249,70

1633,92

1247,68

1246,88

1644,17

1244,12

1243,32

1646,15

1241,61

1240,81

1649,07

1240,8

1240,00

1658,12

1241

1240,20

1665,82

1239,27

1238,47

1668,86

1237,87

1237,07

1676,32

1235,86

1235,06

1694

1240,61

1239,81

1705,36

1240,98

1240,18

1709,02

1244,25

1243,45

1711,9

1245,4

1244,60

1719,45

1250,3

1249,50

1724,15

1252,31

1251,51

1738,66

1254,36

1253,56

1754,72

1257,2

1256,40

1764,99

1258,97

1258,17

1771,21

1258,12

1257,32

1784,55

1253,62

1.252,82

1789,07

1254,26

1253,46

1792,3

1256,01

21,20

17,17

-21,68

11 1/4º

6,82

38,85

-10,27

15,84

49,12

13,56

10,29

35,57

-91,62

45º

1,97

127,19

98,42

45º

2,92

28,77

26,42

11 1/4º

8,94

2,35

-19,21

11 1/4º

7,75

21,56

-27,32

11 1/4º

2,97

48,88

23,28

11 1/4º

7,30

25,60

-0,81

17,68

26,42

23,60

PURGA 11 1/4º

11,36

2,82

-87,49

45º

3,68

90,30

52,03

22 1/2º

2,85

38,28

-27,62

11 1/4º

7,54

65,90

21,73

11 1/4º

4,73

44,16

28,83

11 1/4º

14,48

15,33

-1,83

16,03

17,16

-1,31

10,23

18,47

3,29

6,19

15,18

-18,68

11 1/4º

13,26

33,87

16,36

11 1/4º

4,57

17,51

-35,28

22 1/2º

3,30

52,79

23,89

11 1/4º

1255,21

165

•

1805,2

1259,8

1259,00

1828,7

1262,18

1261,38

1839,5

1265,29

1264,49

1852,5

1267,04

1266,24

1864,25

1268,22

1267,42

1878,15

1270,48

1269,68

1885,2

1272,23

1.271,43

1895,01

1273,22

1272,42

1905,52

1276,29

1275,49

1912,16

1277,23

1276,43

1915,91

1278,57

1277,77 ∑=

12,90

28,91

18,59

11 1/4º

23,44

10,32

-18,03

11 1/4º

10,72

28,36

13,87

12,98

14,49

4,60

11,73

9,89

-6,28

13,86

16,17

-8,68

7,00

24,85

15,32

11 1/4º

9,77

9,52

-20,03

11 1/4º

10,53

29,55

14,96

11 1/4º

6,58

14,59

-20,74

11 1/4º

3,82

35,33

35,33

22 1/2º

445,1129

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 1916,02 m) = 1287,39 – 1235,06 = 52,33 m Presión de diseño = 1.3 x 52,33 = 68,03 m

La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones:

•

material: PVC

•

clase: RDE 32,5

•

tipo: 1

•

grado: 1

166

•

•

presión de trabajo: A 23ºC 125 PSI – 0,86 MPa – 8,8 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Se utilizó la ecuación que corresponde a la de Hazen-Wiliams: Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q H

=

Caudal de diseño (0.020 m3/seg)

=

Carga hidráulica disponible

Carga hidráulica disponible: H = (1287,39 – 1278,57 m) = 8,82 m

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 532.69m): J=

8,82 H = 0.020 m/m = L 445,11

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Wiliams se obtuvo: Q D= 0.2785 C J 0.54

D=

1 2.63

0.020 (0.2785)(150)(0.020) 0.54 D = 0.122 m = 4,8 “ 167

1 2.63

Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168,28 mm Espesor de pared = 5,18 mm Diámetro interno real = 168,28 – (5,18 * 2) Diámetro interno real = 157,92

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

0.020 Q = 1,02 m/seg = A π 2 (0,15792) 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética:

V2 (1,02) 2 = = 0,053 m 2 g (2)(9.81)

•

Cálculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 25 codos 11 ¼º 4 codos 22 ¼º ⎛ 22,5 ⎞ 11,25 ⎟ + 4* hm = 0,25 * 0,053⎜⎜ 25 * ⎟ 90 90 ⎝ ⎠ hm = 0,143 m

168

Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 1676,32 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) en 4” K= 0,6 hm = 0,6 * 0,053 hm = 0,318 m Perdidas por entrada normal al tubo de 6” hm = 0,5 * 0,053 hm = 0,027 m Perdidas por salida: hm = 1,0 * 8,15*10-5 hm = 8,15*10-5 m Perdidas Totales: ∑hm = 0,143+ 0,318 + 0.027 ∑hm = 0,488 m

Verificación de diámetro teórico y la predistribución de longitudes: Carga hidráulica: H = 1287,39 – 1278,57 – 0,488 = 8,332 m Longitud real de la tubería: L = 445,11 Perdida de carga unitaria:

169

J=

J=

H L

8,332 = 0,019m / m 445,11

Despejando el Diámetro: 0.020 D= (0.2785)(150)(0.019) 0.54

1 2.63

= 0,123 m ≈ 4,84”

Se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6 pulgadas.

Cota piezométrica inicio = 1287,39 Cota piezométrica final = 1235,86 + 5,0 = 1240,86

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 1676,32 K = 18 Distancia real del desarenador = 1622,47 m Cota = 1235,86 Diámetro = 6” (Real = 157,92 mm) Espesor de la pared = 5,18 m Velocidad = 1,02 m/seg

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma:

170

9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando:

C=

9900 ⎛ 157,92 ⎞ 48.3 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 5,18 ⎠

C = 405,16 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (1622,47) 405,16

T = 8,01 seg

171

Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad

reemplazando: ha =

(405,16)(1 ,02) 9.81

ha = 42,13 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula 1287,39-1235,86= 51.33 m Presión total sobre la válvula = 51,33- 42,13 = 93,46 m La presión total no excede la presión de diseño 88 m por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

•

Trazado aducción y conducción tramo 1 Camenzo:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo E, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la

172

pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 17.

Tabla 17. Perfil aducción y conducción tramo 1 Camenzo ABSCISA RASANTE CLAVE LONGITUD PENDIENTE DELTA 0 1379,46 1379,29 13,85 5,49 -6,14 13,84 1379,31 1378,71 14,28 11,62 8,30 28,13 1377,65 1377,05 9,03 3,32 -7,29 37,16 1377,35 1376,75 8,01 10,61 9,37 45,16 1376,5 1375,9 24,11 1,24 -8,94 69,27 1376,2 1375,6 10,8 10,19 6,29 80,07 1375,2 1374,5 31,29 3,90 -12,35 111,36 1373,88 1373,28 2,77 16,25 15,46 114 1373,43 1372,83 24,28 0,78 -6,90 138,41 1373,24 1372,64 13,4 7,69 6,12 151,82 1372,61 1371,61 10,82 1,57 -6,29 162,64 1372,24 1371,44 10,81 7,86 3,99 173,45 1371,29 1370,59 16,27 3,87 -6,29 194,06 1370,29 1369,69 13,68 10,16 2,77 207,74 1368,9 1368,3 19,34 7,39 0,09 227,08 1367,46 1366,85 4,93 7,30 1,95 232,01 1367,24 1366,64 1,68 -5,36 -22,14 233,68 1367,34 1366,74 2,8 27,50 -3,17 233,48 1378 1367,4

173

ADITAMENTO

11 1/4º

11 1/4º

239,65

1369

1368,4

256,5

1369

1368,4

276,73

1366

1365,4

285,19

1364,98

1364,39

289,74

1364,74

1364,14

293,19

1364,63

1364,03

299,21

1364,46

1363,86

301,67

1364,41

1363,81

305,64

1364,42

1363,82

308,27

1364,46

1363,86

312,63

1364,62

1364,02

316,45

1364,9

1364,3

323,77

1366,06

1365,4

328,99

1366,41

1365,81

331,68

1366,7

1366,1

333,56

1367,16

1366,6

334,7

1367,99

1367,4

338,87

1368,73

1368,13

349,72

1372,01

1371,41

357,09

1372,38

1371,78

371,14

1373,46

1372,86

379,73

1373,29

1372,69

383,19

1372,94

3,26

-30,67

30,67

11 1/4º

16,76

0,00

-14,83

11 1/4º

20,23

14,83

2,91

8,47

11,92

6,65

4,55

5,27

1,79

3,44

3,49

0,66

6,02

2,82

-0,02

2,46

2,85

2,60

4

-0,25

-1,29

2,6

-1,54

-2,13

4,36

-3,67

-3,64

3,83

-7,31

-7,72

7,32

-15,03

7,17

5,22

-7,85

-2,93

2,69

-10,78

-13,69

1,88

-24,47

-48,58

22 1/2º

1,15

-73,04

55,50

22 1/2º + 11 1/4º

4,16

-17,55

-13,60

10,85

-31,15

26,00

7,37

-5,16

-2,53

14,05

7,69

5,71

8,59

1,98

-13,87

3,47

15,85

14,38

1372,14

174

11 1/4º

11 1/4º

398,9

1372,71

1371,91

411,09

1371,88

1371,28

415,48

1371,68

1371,08

419,32

1371,91

371,31

424,36

1372,6

1372

434,51

1372

1371,4

437,38

1366

1365,4

448,62

1365

1364,2

477,35

1364,23

1363,53

490,04

1363,29

1362,39

500,46

1363

1362,1

506,82

1360

1359,4

513,5

1359

1358,4

517,29

1358,92

1358,32

525,38

1355,1

1354,1

531,84

1358

1357,2

557,54

1360

1359

549,19

1360,85

1359,85

559,09

1361,28

1360,48

582,89

1360,38

1359,58

592,04

1359,18

1358,38

607,47

1359,39

1358,34

611,62

1358,51

15,69

1,47

-3,70

12,19

5,17

0,62

4,4

-4,55

-1,44

3,84

-5,99

-7,70

5,04

-13,69

7,78

10,15

5,91

-40,71

22 1/2º

12,87

46,62

-50,15

22 1/2º

1,24

96,77

94,44

45º

28,73

2,33

-6,65

12,69

8,98

6,20

10,43

2,78

-39,67

22 1/2º

6,36

42,45

27,48

11 1/4º

6,68

14,97

12,86

3,8

2,11

-50,06

8,09

52,16

4,10

6,45

-48,06

36,60

22 1/2º

15,71

-11,46

-40,06

22 1/2º

1,65

-51,52

45,16

22 1/2º

9,91

-6,36

2,57

23,79

3,78

-9,24

9,14

13,02

12,76

15,54

0,26

-17,77

11 1/4º

4,05

18,02

-14,20

11 1/4º

1357,61

175

22 1/2º

614,31

1359,28

1358,48

623,2

1359,07

1358,47

641,69

1359,4

1358,6

656,33

1359,74

1358,94

673,12

1359,46

1358,66

682,39

1358,7

1357,9

688,3

1356,27

1355,47

695,44

1353

1352,2

698,88

1353

1352,2

706,05

1357,08

1356,38

710,19

1357,5

1356,7

714,92

1356,55

1355,75

720,48

1356,43

1355,63

725,49

1357,1

1356,3

734,35

1357,47

1356,67

751,12

1355,79

1355,01

769,13

1355,43

1354,48

773,44

1355,8

1354,82

779,48

1355,17

1354,27

796,16

1355,86

1354,92

808,57

1353,19

1352,16

818,69

1352,37

1351,46

837,87

1353,34

2,7

-32,22

32,00

8,89

0,22

-0,48

18,5

0,70

-1,62

14,64

-2,32

0,65

16,79

1,67

-6,53

9,27

8,20

-32,92

5,91

41,12

-4,68

7,14

45,80

45,80

22 1/2º

3,44

0,00

-58,30

22 1/2 + 11 1/4º

7,17

-58,30

50,57

22 1/2º

4,14

-7,73

-12,36

4,73

20,08

17,97

5,67

2,12

-11,53

4,91

-13,65

9,47

8,86

-4,18

-5,72

16,78

9,89

6,95

18

2,94

-4,71

4,31

-7,66

-1,42

6,06

9,08

5,17

16,66

-3,90

-18,34

11 1/4º

12,41

22,24

15,44

11 1/4º

10,3

6,80

2,27

18,99

-4,53

3,04

1352,32

176

22 1/2º

22 1/2º

11 1/4º

•

851,97

1353,53

1352,54

868,47

1353,44

1352,46

885,1

1353

1352,01

897,65

1352

1351,42

906,11

1348,15

1347,03

910,33

1348,59

1347,64

914,48

1350,17

1349,58

925,84

1349,27

1348,45

942,21

1349,26

1348,45

950,77

1349,86

1348,96

964,77

1349,21

1348,01 ∑=

14,07

-1,49

1,01

16,53

0,48

-2,25

16,44

2,74

-1,95

12,58

4,69

-46,24

22 1/2º

8,6

50,93

36,58

4,25

-14,35

-31,60

22 1/2º PURGA 22 1/2º

4,2

-45,95

35,96

22 1/2º

11,31

9,99

9,99

16,38

0,00

-5,96

8,55

-5,96

-0,80

14,04

6,77

-0,78

960,54

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 910,33 m) = 1379,46 – 1347,03 = 32,43 m Presión de diseño = 1.3 x 32,43 = 42,16 m

La tubería que se decidió usar tiene las siguientes características:

•

material: PVC

•

clase: RDE 41

•

tipo: 1

•

grado: 1

177

•

•

presión de trabajo: A 23ºC 100 PSI – 0,86 MPa – 8,8 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Se utilizó la ecuación (28) que corresponde a la de Hazen-Wiliams: Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

=

Caudal de diseño (0.033 m3/seg)

=

Carga hidráulica disponible (1379,46 – 1348,15 m)

C

=

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J

=

Pérdida de carga unitaria

D

=

Diámetro de la tubería

Q H

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 960,54m): J=

H 31,31 = 0.03 m/m = L 960,54

Despejando el diámetro de la ecuación se obtuvo: Q D= 0.2785 C J 0.54

1 2.63

0.033 D= (0.2785)(150)(0.03) 0.54 D = 0.136 m = 5,35 “

178

1 2.63

Se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168,28 mm Espesor de pared = 4,12 mm Diámetro interno real = 168,28 – (4,12 * 2 ) Diámetro interno real = 160,4 mm

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

0.033 Q = 1,63 m/seg = A π 2 (0,1604 ) 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética: V2 (1,63) 2 = = 0,14 m 2 g (2)(9.81)

•

Cálculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 12 codos 11 ¼º 16 codos 22 ¼º 2 codos 22 ¼º + 11 ¼º 1 codo 45º hm = 0,25 * 0,14 * 12 *

33,75 11,25 45 + 1* + 16 * 90 90 90

hm = 0,50 m 179

Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 906,11 de paso directo (purga) K= 6 hm = 0,6 * 0,14 hm = 0,084 m Perdidas por entrada normal al tubo de 6”: hm = 0,5 * 0,14 hm = 0,07 Perdidas Totales: ∑hm = 0,50 + 0,084*10-5 +0,07 ∑hm = 0,654 m

Verificación de diámetro teórico y la redistribución de longitudes: Carga hidráulica disponible: H = 1379,46 – 1348,15 – 0,654 = 30,66 m Longitud real de la tubería: L = 960,54 Perdida de carga unitaria: J=

J=

H L

30,66 = 0,03m / m 960,54

Despejando el diámetro:

180

⎛ 0.033 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.03)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ = 0,136 m ≈ 5,34” ⎠

Se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6 pulgadas

Cota piezométrica inicio = 1379,46 Cota piezométrica final = 1347,03 + 5,0 = 1352,03

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 906,11 K = 18 Distancia real del desarenador = 900,92 m Cota = 1347,03 Diámetro = 6” (Real = 160,4) Espesor de pared = 4,12 m Velocidad = 1,63 m/seg

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: C=

9900 48.2 + k

donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo 181

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900

⎛ 160,4 ⎞ 48.3 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 4,12 ⎠ C = 361,72 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (873,89 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (900,92) 361,72

T = 4,9 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2) 182

V

=

Velocidad (1,63 m/seg)

reemplazando: ha =

(361,72)(1 ,63) 9.81

ha = 60,10 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1379,46 – 1347,03 = 32,43 m Presión total sobre la válvula

= 60,10 + 32,43

= 92,53 m

La presión total no excede la presión de diseño 88 m por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

•

Trazado conducción tramo 2 Camenzo:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo F, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 18.

Tabla 18. Perfil conducción tramo 2 Camenzo. ABSCISA RASANTE CLAVE 964,77 1349,21 1348,01 979,37 986,09

1350 1349,11

LONGITUD

PENDIENTE

DELTA

14,58

-7,54

-6,46

6,71

14,01

-10,38

1349,11 1348,17

183

ADITAMENTO

991,87

1347,66

1346,78

998,92

1348,49

1347,24

1001,35

1349,1

1348,24

1015,37

1349,87

1349,09

1032,57

1347,87

1346,94

1043,99

1346,48

1345,53

1055,83

1345,04

1344,06

1060,17

1344

1343,09

1073,79

1347

1346,09

1091,7

1347

1346,09

1103,32

1344,87

1343,69

1112,32

1343

1342,41

1114,96

1342,63

1342

1118,79

1342,36

1341,7

1128,78

1342,36

1341,76

1143,73

1342,44

1341,76

1152,51

1342,12

1341,28

1169,65

1342,33

1341,47

1186,39

1343,03

1342,14

1201,37

1343,17

1342,14

1217,58

1343,46

1342,48

1231,97

1343,86

1342,78

1241,97

1345,53

5,7

24,39

17,46

11 1/4º

6,64

-6,93

-27,20

11 1/4º

2,93

34,13

28,03

11 1/4º

13,94

-6,10

-6,35

17,27

12,45

0,02

11,42

12,43

0,01

11,91

12,43

-9,92

4,34

22,35

0,32

13,62

-22,03

22,03

11 1/4º

17,69

0,00

-20,27

11 1/4º

11,84

20,27

5,84

8,87

14,43

-0,37

2,77

14,80

6,97

3,83

7,83

7,23

9,99

-0,60

0,60

14,94

0,00

-5,47

8,78

-5,47

4,18

17,14

-1,28

-2,54

16,74

-3,82

3,82

14,99

0,00

-2,10

16,21

-2,10

0,01

14,39

-2,08

-15,82

10

-17,90

12,26

1344,57

184

11 1/4º

1253,68

1346,09

1345,23

1263,49

1344,45

1343,52

1277,57

1343,3

1342,34

1286,2

1345,01

1344,08

1391

1345,21

1344,33

1313,12

1343,19

1342,32

1316,68

1344

1343,14

1329,91

1344

1343,14

1334,66

1343

1342,07

1337,21

1343,18

1342,07

1339,91

1344,19

1343,42

1345,59

1355,38

1344,37

1348,3

1346,23

1345,36

1359,2

1345,72

1344,87

1372,17

1346,07

1345,17

1381,27

1345,46

1344,57

1396,94

1344,56

1343,54

1405,74

1344,16

1343,31

1414,18

1343,56

1342,6

1429,99

1343,03

1342,23

1441,16

1342,41

1341,43

1458,41

1342,71

1341,75

1469,77

1342,71

11,71

-5,64

-11,79

9,81

17,43

9,05

14,08

8,38

-11,78

8,63

-20,16

18,53

14,71

-1,63

-14,83

12,21

16,46

-6,85

3,56

23,31

23,31

11 1/4º

13,23

0,00

-22,53

11 1/4º

4,75

22,53

22,53

11 1/4º

2,55

0,00

-50,00

22 1/2º

2,7

-50,00

33,30

22 1/2º

5,69

-16,70

-9,99

3,71

26,68

21,74

9,9

4,95

2,64

12,97

-2,31

-4,28

9,1

6,59

-0,04

15,67

6,64

4,02

8,8

2,61

-5,92

8,44

8,53

6,19

15,81

2,34

-4,82

11,17

7,16

5,31

17,26

-1,85

1,85

11,34

0,00

-1,77

1341,75

185

11 1/4º

11 1/4º

1481,61

1342,45

1341,53

1493,42

1341,82

1341,03

1498,68

1342,39

1341,34

1501,38

1342,86

1341,96

1512,6

1342,41

1341,65

1515,7

1341,93

1340,98

1527,75

1341,21

1340,24

1539,61

1340,54

1339,67

1551,68

1340,89

1339,89

1564,06

1341,42

1340,39

1570,47

1341,39

1340,39

1582,85

1341

1340,23

1591,89

1340,73

1339,85

1602,66

1340

1339,4

1614,64

1339,28

1338,51

1629,37

1338,57

1337,97

1640,97

1338

1337,4

1652,45

1337,52

1336,84

1664,34

1336,65

1336,06

1676,87

1336

1335,4

1686,24

1335,24

1334,64

1695,49

1334,89

1334,08

1702,45

1333,44

11,86

1,77

-2,47

11,8

4,24

-1,48

5,25

-5,71

-17,25

11 1/4º

2,7

-22,96

20,29

11 1/4º

11,22

2,67

-18,87

11 1/4º

3,11

21,54

15,40

11 1/4º

12,05

6,14

1,32

11,83

4,82

2,92

12,1

-1,90

1,50

12,39

-0,40

0,40

6,4

0,00

-1,29

12,38

1,29

-2,91

9,04

4,20

0,03

10,77

4,18

-3,24

11,99

7,42

3,75

14,7

3,67

-1,23

11,62

4,91

0,03

11,48

4,88

-1,70

11,85

6,58

1,40

12,55

5,18

-2,92

9,38

8,10

2,05

9,26

6,05

-15,50

11 1/4º

6,96

21,55

17,57

11 1/4º

1332,58

186

1714,51

1332,95

1332,1

1726,4

1332,65

1331,81

1738,12

1332,56

1331,66

1750,23

1332,25

1331,35

1761,11

1332,01

1331,06

1773,23

1331,99

1331,06

1785,13

1332,06

1331,06

1793,06

1332,54

1331,52

1798,24

1333,14

1332,18

1809,52

1332,88

1331,97

1813,24

1332

1331,06

1818,73

1332,19

1331,06

1826,38

1334,2

1333,33

1837,65

1336,09

1335,2

1852,89

1336,21

1335,2

1860,19

1337,04

1336,1

1870,28

1337,06

1336,25

1878,22

1336,59

1335,98

1888,98

1334,34

1333,71

1892,29

1333,08

1332,43

1898,67

1331,49

1330,76

1906,3

1330,01

1329,4

1916,02

1329,63

12,06

3,98

1,54

11,88

2,44

1,16

11,72

1,28

-1,36

12,11

2,64

-0,02

10,88

2,67

2,67

12,12

0,00

0,00

11,92

0,00

-5,82

7,9

-5,82

-6,92

5,18

-12,74

10,88

11,28

1,86

-22,60

11 1/4º

3,72

24,46

24,46

5,51

0,00

-29,88

11 1/4º PURGA 11 1/4º

7,63

29,88

13,29

11,27

16,59

16,59

15,24

0,00

-12,33

7,3

-12,33

10,84

10,09

-1,49

-1,91

7,94

3,40

-17,68

11 1/4º

10,77

21,08

-17,59

11 1/4º

3,31

38,67

12,50

6,38

26,18

8,48

7,63

17,69

12,30

9,73

3,49

-10,59

1329,06

187

11 1/4º

11 1/4º

∑

•

951,3

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 1916,02 m) = 1349,21 – 1329,06 = 20,15 m Presión de diseño = 1.3 x 20,15 = 26,20 m La tubería que se decidió usar tiene las siguientes características:

•

•

material: PVC

•

clase: RDE 21

•

tipo: 1

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23ºC 200 PSI – 1,38 MPa – 14.06 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams: Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q =

Caudal de diseño (0.033 m3/seg)

H =

Carga hidráulica disponible (1349,21 – 1329,63 m)

C =

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J =

Pérdida de carga unitaria

D =

Diámetro de la tubería

188

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 951,3 m): J=

H 19,58 = 0.021 m/m = L 951,3

Despejando el diámetro de la ecuación se obtuvo: 1

Q ⎛ ⎞ 2.63 D=⎜ ⎟ 0.54 ⎝ 0.2785 C J ⎠

⎛ 0.033 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.021)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ ⎠

D = 0.146 m = 5,74 “ Se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168,28 mm Espesor de pared = 8,03 mm Diámetro interno real = 168,28 – (8,03 * 2 ) Diámetro interno real = 152,22

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

0.033 Q = 1,81 m/seg = A π 2 (0,15222 ) 4

189

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética: V2 (1,81) 2 = = 0,17 m 2 g (2)(9.81)

•

Cálculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 24 codos 11 ¼º 2 codos 22 ¼º

hm = 0,25 * 0,17 * 24 *

22,05 11,25 +2 +2* 90 90

hm = 0,40 m Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 1813,24 de paso directo (purga) K= 0,6 hm = 0,6 * 0,17 hm = 0,10 m Perdidas por entrada normal al tubo de 6”: hm = 0,5 * 0,17 hm = 0,085 m Perdidas Totales: ∑hm = 0,40 + 0,085 ∑hm = 0,59 m

190

Verificación de diámetro teórico y la redistribución de longitudes: Carga hidráulica: H = 1349,21 – 1329,63 – 0,59 = 18,99 m Longitud real de la tubería: L = 951,3 Perdida de carga unitaria: J=

J=

H L

18,99 = 0,020m / m 951,13

Despejando el diámetro:

⎛ 0.033 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.020)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ = 0,148 m ≈ 5,81” ⎠

Se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6 pulgadas Cota piezométrica inicio = 1349,21 Cota piezométrica final = 1329,63 + 5,0= 1334.63

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 1813,24 K = 18 Distancia real del desarenador = 1743,97 m Cota = 1257,11 Diámetro = 6” (Real = 152,22 )

191

Espesor de pared = 8,03 m Velocidad = 1.81 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: 9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900 48.3 + (18)

152,22 8,03

C = 501,62 m/seg La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (873,89 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

192

reemplazando: T=

(2) (1743,97) 501,62

T = 6,95 seg

Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (0,17 m/seg)

reemplazando: ha =

(501,62)(1,81) 9.81

ha = 92,55 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula

= 1349-1257,11

= 91,89m

Presión total sobre la válvula

= 92,55 + 91,89

= 184,44

193

La presión total excede la presión de diseño 141,6 m por lo cual se tiene que hallar el tiempo de maniobra para que por operación normal de la válvula no exceda la presión de diseño. Presión disponible para el golpe de ariete: 184,44 – 141.6= 82.84 m Tiempo de maniobra requerido para no exceder la sobrepresión máxima permisible de 82,44, se calcula así; t=

t=

2LV 1.81 gha

2 * 1743,97 * 1.81 = 6,95seg 9,81 * 92.55

La válvula no podrá cerrarse en un tiempo inferior 6,95 seg.

•

Trazado conducción tramo 1 cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo G, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 19.

Tabla 19. Perfil conducción tramo 1 cruce vereda sabaneta – tanque de almacenamiento ABSCISA RASANTE 1916,02 1329,63

CLAVE 1329,06

LONGITUD PENDIENTE

194

DELTA

ADITAMENTO

1918,16

1329,4

1328,76

1923,5

1328,11

1327,46

1926,32

1326,9

1326,07

1937,84

1324,77

1324,15

1946,41

1322,75

1321,92

1957,64

1321,16

1320,37

1969,36

1320,46

1319,85

1976,77

1319,43

1318,43

1988,15

1319,1

1318,06

1999,77

1319,86

1318,88

2004,93

1318,44

1317,79

2007,59

1316,78

1315,83

2016,61

1312,08

1311

2025,86

1310,58

1309,61

2036,56

1309,84

1309,24

2048,73

1309,79

1309,24

2065,13

1307,93

1306,95

2077,82

1310,46

1309,58

2083,77

1309,69

1308,76

2088,35

1307,64

1306,65

2097,97

1305,45

1304,46

2108,88

1303,51

1302,51

2119,93

1301,13

2,13

14,08

-10,45

22 1/2º

5,34

24,53

-24,40

22 1/2º

2,82

48,94

32,27

22 1/2º

11,52

16,67

-8,47

8,87

25,14

10,89

10,88

14,25

9,91

11,77

4,33

-14,80

11 1/4º

7,42

19,14

15,89

11 1/4º

11,38

3,25

-3,79

11,64

-7,04

-14,20

11 1/4º

5,13

21,25

-52,16

22 1/2º

2,67

73,41

19,80

11 1/4º

9,01

53,61

38,47

22 1/2º

9,25

15,14

11,67

10,68

3,46

3,46

12,29

0,00

-14,05

16,3

14,05

-6,76

12,64

-20,81

7,16

6,01

13,64

-32,11

22 1/2º

4,59

45,75

22,65

11 1/4º

9,61

23,10

5,24

10,92

17,86

-3,23

11,05

21,09

-10,58

1300,17

195

11 1/4º

2125,33

1299,44

1298,46

2136,1

1296,97

1296,04

2141,04

1296

1294,94

2153,21

1293,57

1292,53

2162,34

1291,79

1290,93

2165,81

1291,09

1290,32

2168,7

1289

1288,08

2172,55

1288,88

1287,94

2176,71

1288,18

1287,24

2181,79

1288,08

1287,24

2186,9

1287

1286,02

2200,19

1289,19

1288,12

2209,56

1292,56

1291,41

2213,24

1294,65

1294,02

2224,72

1295,7

1294,65

2236,32

1295,73

1294,65

2248,64

1295,75

1294,65

2256,8

1294,74

1293,98

2262,79

1293,97

1293,03

2272,13

1295,32

1294,2

2275,56

1296,26

1295,28

2280,99

1295,88

1294,97

2291,9

1290,81

5,4

31,67

9,22

10,78

22,45

-0,07

4,93

22,52

2,79

12,17

19,72

2,20

9,13

17,52

-0,05

3,47

17,58

-59,93

22 1/2 + 11 1/4

2,89

77,51

73,61

22 1/2 + 11 1/4

3,85

3,90

-12,93

4,16

16,83

16,83

11 1/4º

5,09

0,00

-24,50

11 1/4º

4,98

24,50

8,84

13,41

-15,66

-19,45

11 1/4º

9,37

-35,11

-36,08

22 1/2º

3,68

-71,20

65,70

22 1/2 + 11 1/4

11,47

-5,49

5,49

11,6

0,00

0,00

12,28

0,00

-8,42

8,08

8,42

-6,97

6,11

15,38

2,86

9,34

-12,53

-19,05

11 1/4º

3,42

-31,58

25,88

11 1/4º

5,44

5,70

-41,32

22 1/2º

10,91

47,02

12,39

1289,85

196

2297,3

1288,91

1287,97

2306,21

1287,77

1286,93

2315,75

1285,69

1284,67

2327,39

1284,14

1283,11

2339,81

1282,86

1281,69

2351,96

1280,75

1279,86

2362,92

1280,23

1279,24

2375,17

1280,5

1279,98

2382,61

1280,4

1279,46

2394,49

1278,86

1277,89

2406,03

1278,46

1277,55

2412,92

1277,82

1276,89

2420,32

1275,83

1274,83

2432,75

1275,59

1274,7

2442,42

1276,29

1275,29

2450,46

1278,11

1277,25

2462,4

1278,46

1277,46

2474,77

1278,33

1277,41

2486,71

1277,78

1276,86

2490,73

1278,32

1277,22

2496,13

1280,89

1280,28

2507,32

1279,66

1279,08

2517,71

1276,89

5,4

34,63

22,85

8,91

11,78

-11,91

9,54

23,69

10,29

11,64

13,40

3,82

12,42

9,58

-7,37

12,15

16,95

11,30

10,97

5,65

3,94

12,25

-1,71

1,71

7,43

0,00

-13,22

11,88

13,22

10,27

11,54

2,95

-6,62

6,9

9,57

-18,27

11 1/4º

7,4

27,84

26,71

11 1/4º

12,42

1,13

-5,07

9,68

-6,20

-18,18

11 1/4º

8,04

24,38

22,61

11 1/4º

11,89

-1,77

1,36

12,42

0,40

-4,20

11,94

4,61

-4,33

4,03

8,93

-47,84

22 1/2º

5,39

-56,77

45,91

22 1/2º

11,05

10,86

-17,66

11 1/4º

10,73

28,52

16,15

11 1/4º

1276,02

197

11 1/4º

2527,46

1275,83

1279,51

2539,66

1275,53

1274,59

2551,5

1274,99

1274,06

2563,38

1274,79

1273,78

2575,55

1274,35

1273,34

2587,45

1273,93

1272,91

2599,75

1273,11

1272,11

2612,06

1272,87

1271,91

2619,4

1272,4

1271,5

2643,06

1268,99

1268

2654,9

1268,01

1267,16

2661,44

1266

1265,26

2677,92

1266,31

1265,26

2686,57

1267,08

1266,35

2711,03

1268

1267,23

2719,15

1268

1267,23

2728,04

1266,18

1265,16

2759,57

1267,27

1266,24

2764,49

1267,69

1266,88

2788,13

1266,35

1265,41

2808,4

1267,15

1266,32

2837,62

1268,81

1267,94

2857

1269

9,54

12,37

10,32

12,2

2,05

-2,43

11,84

4,48

2,12

11,88

2,36

-1,26

12,16

3,62

0,01

11,91

3,61

-2,89

12,3

6,50

4,88

12,31

1,62

-4,10

7,34

5,72

-9,03

23,66

14,75

7,57

11,84

7,18

-21,76

6,53

28,94

28,94

16,49

0,00

-12,60

8,65

12,60

9,04

24,45

3,56

3,56

8,05

0,00

-23,08

11 1/4º

8,97

23,08

19,65

11 1/4º

31,53

-3,43

-9,58

4,92

-13,01

2,21

13,61

10,80

7,80

30,29

-3,00

-2,54

29,22

-5,54

4,41

19,39

-1,13

-16,06

1268,16

198

11 1/4º

2863,05

1268,03

1267,12

2865,72

1266,68

1265,63

2874,49

1264,1

1263,09

2892,63

1261,52

1260,91

2902,44

1258

1257,11

2910,79

1258,23

1257,11

2914,91

•

1259,25

1258,49 ∑

6,05

17,19

-38,62

22 1/2º

2,67

55,81

26,96

11 1/4º

8,77

28,85

16,83

11 1/4º

18,14

12,02

-26,76

11 1/4º

9,8

38,78

38,78

22 1/2º

8,37

0,00

-32,93

22 1/2º

4,1

-32,93

29,51

11 1/4º

998,88

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 2902.44 m) = 1329.63 – 1257.11 = 72,52 m Presión de diseño = 1.3 x 72,52 = 94.28 m La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones:

•

•

material: PVC

•

clase: RDE 26

•

tipo: 1

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23º 160 PSI – 1.10 MPa – 11.25 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Para el diseño de la tubería se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams:

199

Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

=

Caudal de diseño (0.053 m3/seg)

=

Carga hidráulica disponible

C

=

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J

=

Pérdida de carga unitaria

D

=

Diámetro de la tubería

Q H

Carga hidráulica disponible: H = 1329.63 – 1258 = 71,63 m La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 998.88m):

J=

H 71,63 = = 0,07 m/m L 998.88

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Williams se obtuvo: 1

Q ⎛ ⎞ 2.63 D=⎜ ⎟ 0.54 ⎝ 0,2785 C J ⎠

⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0,2785)(150)(0,07)

1

⎞ 2,63 ⎟⎟ ⎠

D = 0.137 m = 5.4 “ Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168.28 mm 200

Espesor de pared = 6.48 mm Diámetro interno real = 168.28 – (6.48 * 2) Diámetro interno real = 155.32 mm

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad:

V=

0.053 Q = = 2,70m/seg A π (0,15532) 2 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética:

(2,80) 2 V2 = = 0,40 m 2 g (2)(9,81) •

Cálculo de las pérdidas de energía

Cálculo de pérdidas por codos: 25 codos 11 ¼º 213 codos 22 ¼º 3 codos 22 ¼º + 11 ¼º

⎛ 33,75 ⎞ 22,5 11,25 ⎟ hm = 0,25 * 0,40 * ⎜⎜ 25 * + 13 * + 3* ⎟ 90 90 90 ⎝ ⎠ hm = 1.72 m Perdidas por Te: Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 1246.95 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) en 6” K= 0,6: 201

hm = 0,6 * 1 * 0,40 hm = 0,24 m Perdidas por entrada normal al tubo de 6”: hm = 0,5 * 0,40 hm = 0,20 m Perdidas Totales: ∑hm = 1.72 + 0,24 + 0,20 ∑hm = 2.16 m

Verificación de diámetro teórico y la redistribución de longitudes: Carga hidráulica: H = – 1329.63 – 1,258 -2.16 = 68.84 m Longitud real de la tubería: L = 998.88 m Pérdida por carga unitaria: J=

J=

H L

68.84 = 0,07m / m 998.88

Despejando el Diámetro:

⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.07)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ = 0,137 m ≈ 5.4” ≈ 6” ⎠

202

Cota piezométrica inicio = 1329.63 Cota piezométrica final = 1258 + 5,0 = 1263

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 2412.92 K = 18 Distancia real del desarenador = 1271.81 m Cota = 1276.89 Diámetro = 6” (Real = 155,32mm) Espesor de la pared = 6.48 mm Velocidad = 2,80 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: C=

9900 48.2 + k

donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando:

203

C=

9900 ⎛ 155.32 ⎞ 48.2 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 6.48 ⎠

C = 451.99 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (1246.95 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando:

T=

(2) (1246.95) 451,42

T = 5.52 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (2,8 m/seg)

reemplazando: 204

ha =

(451,99)(2,8) 9.81

ha = 129.00 m

Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1329.63 – 1276,89= 52,74 m Presión total sobre la válvula

= 129.00 +52,74 = 181,74m

La presión total excede la presión de diseño 112.5 m por lo cual se tiene que hallar el tiempo de maniobra para que por operación normal de la válvula no exceda la presión de diseño.

•

Comprobación del Golpe de Ariete 112.5– 52,74 = 59,76 m

Tiempo de maniobra t=

t=

2LV gha

2 * 1246,95 * 12,8 = 54,45seg 9,81 * 59,76

La válvula no podrá cerrarse en un tiempo inferior 54,45 seg.

•

Trazado conducción tramo 2 cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento:

205

Sobre el perfil que aparece en el Anexo H, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 20.

Tabla 20. Perfil conducción tramo 2 cruce vereda sabaneta – tanque de almacenamiento ABSCISA RASANTE 2914,91 1259,25

CLAVE 1258,49

2921,64

1259,5

1258,72

2943,38

1256,55

1255,67

2953,9

1255,62

1254,85

2962,81

1255,16

1254,15

2990,46

1255,47

1254,63

2996,14

1254,68

1253,85

2999,62

1253,67

1252,69

3004,96

1252,81

1251,93

3008,56

1250,7

1249,59

3017,18

1249,7

1248,74

3024,4

1251,3

1250,52

3036,08

1251,59

1250,81

3040,53

1250,9

1249,79

3043,44

1248

1246,88

3060,18

1237,97

1236,98

LONGITUD PENDIENTE

DELTA

ADITAMENTO

6,73

-3,42

-10,66

21,74

14,08

6,28

10,52

7,79

-0,06

8,91

7,86

6,12

27,64

1,74

-11,97

5,69

-13,71

-19,63

11 1/4º

3,48

33,33

19,10

11 1/4º

5,34

14,23

-50,77

22 1/2º

3,6

65,00

55,27

22 1/2 + 11 1/4

8,63

9,73

-14,78

11 1/4º

7,22

-24,52

21,95

11 1/4º

11,68

-2,57

-20,35

11 1/4º

4,45

22,92

-77,08

22 1/2 + 11 1/4

2,91

100,00

40,84

22 1/2º

16,75

59,16

30,09

11 1/4º

7,74

29,07

18,95

11 1/4º

206

3067,92

1235,63

1234,73

3079,78

1234,45

1233,51

3087,53

1233,69

1232,87

3098,63

1229,85

1228,83

3107,86

1228,6

1227,71

3120,42

1228

1227,04

3131,29

1226,92

1226,1

3153,69

1222,71

1222,13

3161,34 3179,49 3182,67

1221,52 1224 1224,58

12,05

10,12

1,65

7,55

8,48

-27,92

11 1/4º

11,1

36,40

24,15

11 1/4º

9,23

12,24

6,99

12,56

5,25

-3,49

10,86

8,75

-9,07

22,28

17,82

-2,62

7,78

20,44

6,99

18,14

-13,45

-13,59

3,18

-27,04

12,14

10,13

14,91

-12,08

18,64

26,98

19,38

11,44

7,60

4,01

17,25

-3,59

-2,27

10,24

-5,86

0,41

12,67

5,45

-87,16

45º

2,03

92,61

77,58

22 1/2 + 11 ¼

8,78

15,03

-31,90

22 1/2º

1,96

46,94

38,64

22 1/2º

23,02

8,30

-33,49

22 1/2º

4,69

41,79

27,66

11 1/4º

18,61

14,13

-11,42

6,81

25,55

4,52

1220,54

PURGA

1222,98 1223,84

3192,8

1223,14

1222,33

3211,44

1218,22

1217,3

3222,84

1217,35

1216,43

3240,09

1217,95

1217,05

3250,33

1218,49

1217,65

3262,99

1217,92

1216,96

3265,05

1216

1215,08

3273,8

1214,64

1213,76

3275,76

1213,9

1212,84

3298,78

1211,67

1210,93

3303,47

1209,87

1208,97

3322,09

1207,19

1206,24

VENTOSA

207

11 1/4º

3328,89

1205,37

1204,5

3351,24

1200,7

1199,79

3358,54

1198,46

1197,49

3368,51

1196,89

1196,03

3378,53

1194

1193,06

3383,96

1191,31

1190,26

3392,5

1188,71

1187,82

3394,89

1187,57

1186,49

3400,7 3425

1187,19 1191,49

22,35

21,03

-10,48

7,3

31,51

16,86

11 1/4º

9,97

14,64

-15,00

11 1/4º

10,02

29,64

-21,92

11 1/4º

5,43

51,57

22,99

11 1/4º

8,54

28,57

-26,66

11 1/4º

2,39

55,23

50,58

22 1/2º

5,81

4,65

-11,16

24,3

-15,80

-80,92

PURGA 22 1/2 + 11 ¼

4,58

-96,72

83,03

22 1/2 + 11 ¼

6,57

-13,70

-15,60

11 1/4º VENTOSA

7,68

29,30

10,60

13

-18,69

18,25

20,2

0,45

-9,60

14,74

-10,04

2,59

14,36

-7,45

-8,92

12,58

-16,38

13,42

7,44

-2,96

-13,92

19,79

-16,88

16,71

17,65

-0,17

-3,10

8,87

-3,27

-7,27

11,77

-10,54

-2,62

13,83

-13,16

-29,97

1186,22 1190,03

3429,58

1195,09

1194,49

3436,11

1195,99

1195,39

3443,88

1194,08

1193,14

3456,83

1196,32

1195,53

3477,04

1196,46

1195,48

3491,78

1197,74

1196,96

3506,14

1198,89

1198,03

3500,71

1200,68

1200,09

3526,16

1201,22

1200,3

3545,95

1204,43

1203,64

3563,59

1204,45

1203,67

3572,46

1204,35

1203,38

3584,23

1205,46

1204,61

208

11 1/4º

11 1/4º

3598,06

1207,48

1206,43

3604,84

1210,22

1209,36

3613,37

1211,03

6,77

-43,13

32,81

8,53

-10,32

-9,68

12,95

20,00

8,73

18,45

11,27

-7,13

8,15

18,40

10,72

18,73

7,69

-13,03

8,93

20,72

-10,93

8,91

31,65

14,55

16,43

17,10

7,63

17,94

9,48

-4,26

22,86

13,74

10,25

18,09

3,48

2,60

27,15

-0,88

-28,25

11 1/4º

7,31

-29,14

15,83

11 1/4º

9,02

13,30

3,67

14,94

9,64

-7,42

18

17,06

4,61

42,33

12,45

-18,44

11 1/4º

11,2

30,89

27,15

11 1/4º

22,74

3,74

-13,49

15,61

17,23

-10,02

3,89

27,25

23,36

11 1/4º

21,33

3,89

-17,92

11 1/4º

1210,24

3626,31

1208,58

1207,64

3644,77

1206,33

1205,57

3652,92

1204,89

1204,06

3671,65

1203,32

1202,63

3680,58

1201,63

1200,78

3689,48

1198,85

1197,95

3705,92

1195,96

1195,14

3723,86

1194,21

1193,44

3747,13

1191,15

1190,25

3765,21

1190,53

1189,62

3792,37

1190,86

1189,86

3799,68

1192,76

1191,99

3808,7

1193,88

1193,19

3823,64

1192,53

1191,75

3841,64

1189,54

1188,68

3883,97

1184,01

1183,41

3895,17

1180,93

1179,95

3917,91

1179,9

1179,1

3933,52

1177,03

1176,41

3937,4

1176,23

1175,35

22 1/2º

VENTOSA

209

11 1/4º

•

3958,74

1175,3

1174,53

3974,51

1171,99

1171,08

4000,97

1168,47

1167,53

4011,88

1167,14

1166,37

4047,44

1161,89

1161,88

4054,22

1160,51

1159,5

4072,7

1158,63

1157,67

4106,87

1156,62

1155,82

4117,95

1155,86

1154,95

4165,65

1155,25

1154,45

4159,46

1153,5

1152,69

4170,81

1150,96

1150,21

4212,29

1149

1148,05 ∑

15,77

21,81

8,39

26,45

13,42

2,80

10,92

10,62

-4,34

35,55

14,96

-7,90

6,78

22,86

12,91

18,49

9,95

4,54

34,17

5,41

-2,44

11,08

7,85

6,05

27,7

1,81

-10,87

13,81

12,67

-9,29

11,34

21,96

16,77

41,43

5,19

-0,96

1296,95

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 4212,29 m) = 1259,5 – 1148,05 = 111,45 m Presión de diseño = 1.3 x 111,45 = 144,89 m

La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones:

•

material: PVC

•

clase: RDE 13.5

•

tipo: 1 210

11 1/4º

•

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23º 315 PSI – 2.17 MPa – 22.14 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Para el diseño de la tubería se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams: Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q

=

Caudal de diseño (0.053 m3/seg)

H

=

Carga hidráulica disponible

C

=

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J

=

Pérdida de carga unitaria

D

=

Diámetro de la tubería

Carga hidráulica disponible: H = 1259,5 – 1149 = 110,63 m

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 1296,95m): J=

110,5 H = = 0,09 m/m L 1296,95

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Williams se obtuvo:

211

1

Q ⎛ ⎞ 2.63 D=⎜ ⎟ 0.54 ⎝ 0,2785 C J ⎠

⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0,2785)(1 50)(0,09)

⎞ ⎟⎟ ⎠

1 2 , 63

D = 0.130 m = 5.11 “ Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168.28 mm Espesor de pared = 12.47 mm Diámetro interno real = 168.28 – (12,47 * 2) Diámetro interno real = 143,34 mm

Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

0.053 Q = = 3,28 m/seg A π (0,14334) 2 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética: (3,28) 2 V2 = = 0,55 m 2 g (2)(9,81) •

Cálculo de las pérdidas de energía

Pérdidas por codos: 27 codos 11 ¼º

212

7 codos 22 ¼º 5 codos 22 ¼º + 11 ¼º 1 codo 45° ⎛ 11, 25 + 7* hm = 0, 25 * 0,55 * ⎜⎜ 27 * 90 ⎝

45 ⎞ 33 ,75 22 ,5 ⎟ + 5* +1 90 ⎟⎠ 90 90

hm = 2.31 m Perdidas por Te: Se ha dispuesto de dos purga en la abscisa 3161.34 y en 3400.69 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) en 6” K= 0,6 hm = 0,6 * 2 * 0,55 hm = 0.66 Perdidas por entrada normal al tubo de 6” hm = 0,5 * 0.55 hm = 0,275 m Perdidas Totales: ∑hm = 2,31 + 0,66 + 0,275 ∑hm = 3,25 m Verificación de diámetro teórico y de la redistribución de longitudes: Carga hidráulica: H = – 1259,5-1149-3,25 = 107,25 m Longitud real de la tubería: L = 1296,95 m 213

Pérdida de la carga unitaria: J=

J=

H L

107,25 = 0,083m / m 1296,95

Despejando el Diámetro: ⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.083)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ = 0,132 m ≈ 5.20” ≈ 6” ⎠

Cota piezométrica inicio = 1259,5 Cota piezométrica final = 1149+ 5,0 = 1544

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 3161,34 K = 18 Distancia real del desarenador = 3101,34 m Cota = 1220,54 Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: 214

9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

=

Relación entre el módulo de elasticidad del

K

agua y el del plástico (18) reemplazando: C=

9900 ⎛ 143,34 ⎞ 48.2 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 12,47 ⎠

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T = Tiempo de cierre o de maniobra L = Longitud hasta el desarenador (3101,34 m) C =

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (3101,34) 619,71

T = 10,01 seg

215

Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (3,28m/seg)

reemplazando: ha =

(451,99)(3,28) 9.81

ha = 207,20 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1259,5 – 1220.54 = 38,96 m Presión total sobre la válvula

= 207,20 + 38,96 = 246,16m

La presión total no excede la presión de diseño 221,4 m por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

Válvula en abscisa = 3400,7 K = 18 Distancia real del desarenador = 3340,7 m Cota = 1186,22

216

Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: 9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

=

Relación entre el módulo de elasticidad del

K

agua y el del plástico (18) reemplazando: C=

9900 ⎛ 143,34 ⎞ 48.2 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 12,47 ⎠

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (3340,7 m) 217

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (3340,7) 619,71

T = 10,78seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (3,28m/seg)

reemplazando: ha =

(451,99)(3,28) 9.81

ha = 207,20 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1259,5-1186,22 = 73,28 m Presión total sobre la válvula

= 207,20+73,28

218

= 280,48m

La presión total excede la presión de diseño 221,4 m por lo cual se tiene que hallar el tiempo de maniobra para que por operación normal de la válvula no exceda la presión de diseño. Presión disponible para el golpe de ariete: 280.18 – 221.4 = 58,78 m Tiempo de maniobra requerido para no exceder la sobrepresión máxima permisible de 58,78 se calcula así; t=

t=

2LV 1.81 gha

2 * 3340,7 * 3,28 = 10.78seg 9,81 * 207.28

La válvula no podrá cerrarse en un tiempo inferior 10.78 seg.

•

Trazado conducción tramo 3 cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento:

Sobre el perfil que aparece en el Anexo I y Anexo J, se hizo el trazado de la clave de la tubería mediante alineamientos rectos y con profundidad de 0.4 a 1.2 m bajo la rasante del terreno, y a continuación se obtuvieron las cotas del perfil y la pendiente del alineamiento, y se halló el valor de la suma de las longitudes de cada tramo, estos datos aparecen en la Tabla 21.

Tabla 21. Perfil conducción tramo 3 cruce vereda sabaneta – Tanque de almacenamiento ABSCISA RASANTE CLAVE LONGITUD PENDIENTE DELTA 4212,29 1149 1148,05

219

ADITAMENTO

4219,38

1148,3

1147,6

4238,99

1145,54

1144,52

4272,73

1140,32

1139,39

4290,67

1137,77

1136,93

4309,09

1134,87

1133,97

4343,14

1131,27

1130,41

4361,45

1130

1129,14

4468,24

1126,02

1125,14

4522,13

1125,27

1124,57

4560,46

1125,05

1124,15

4597,55

1126,86

1125,95

4620,19

1127,77

1126,86

4637,42

1130,77

1129,58

4639,83

1131,3

1130,6

4656,64

1133,53

1132,75

4696,41

1133,42

1132,47

4717,26

1135

1134,4

4719,58

1134,6

1133,73

4741,48

1133,54

1132,81

4811,36

1126,47 1125,84

1125,12

4854,63

1126,28

1125,36

1129,83

6,15

-9,65

19,55

15,81

0,63

33,8

15,18

1,45

17,92

13,73

-2,32

18,44

16,05

5,57

34,06

10,48

3,60

18,31

6,88

3,13

106,79

3,76

2,72

53,89

1,04

-0,08

38,33

1,12

-3,65

37,71

-4,77

0,71

22,64

-4,06

-11,63

17,33

-15,70

-28,22

11 1/4º

2,3

-43,91

31,12

22 1/2º

16,81

-12,79

12,11

39,78

0,68

-8,53

20,84

-9,21

-19,67

11 1/4º

2,32

28,88

24,68

11 1/4º

21,9

4,20

-6,20

69,88

10,40

8,88

26,92

1,52

0,06

16,35y

-1,47

-5,70

49,42

-7,16

-1,72

VENTOSA

1125,54

4838,28

4904,04

7,15

PURGA

1128,91

220

4917,55

1130,81

1130,1

4927,18

1131,54

1130,59

4960,16

1135

1134,2

4974,59

1136,19

1135,41

4981,57

1137,84

1136,76

4990,44

1139

1138,27

4992,26

1139,32

1138,27

5000,45

1142,77

1142,04

5020,13

1146

1145,24

5043,93

1147

1146,31

5063,25

1141,82

1140,91

5065,4

1140,1

1139,2

5074,16

1137,73

1136,91

5077,76

1136,33

1135,48

5086,72

1133,51

1132,63

5094,14

1132,04

1131,27

5100,72

1129,81

1128,9

5104,8

1128,83

1128,03

5108,6

1127

1126,19

5131,24

1121,84

1121

5144,61

1120

1119,17

5154,67

1117,67

1116,76

5162,35

1116,95

13,51

-8,88

3,80

9,64

-5,08

-5,90

32,97

-10,98

2,58

14,4

-8,40

-10,86

7,01

-19,26

2,23

8,87

-17,02

17,02

11 1/4º

1,82

0,00

-46,03

22 1/2º

8,19

-46,03

29,77

11 1/4º

19,68

-16,26

11,77

23,81

-4,49

-23,46

19,32

27,95

-51,22

11 1/4º VENTOSA 22 1/2º

2,16

79,17

53,03

22 1/2º

8,76

26,14

-15,00

11 1/4º

3,5

41,14

9,76

9,05

31,38

13,05

7,42

18,33

-18,40

11 1/4º

6,48

36,73

15,91

11 1/4º

4,18

20,81

-27,74

11 1/4º

3,79

48,55

25,63

11 1/4º

22,65

22,91

9,23

13,37

13,69

-10,08

10,18

23,77

14,92

7,57

8,85

-3,02

1116,09

11 1/4º

PURGA

221

5171,7

1117,9

1117,19

5192,51

1116,4

1115,54

5222,15

1116,19

1115,43

5235,5

1113,77

1112,95

5237,86

1112,72

1111,73

5260,89

1109,8

1109,02

5269,06

1108,64

1107,75

5289,73

1107,73

1107,13

5310,24

1105,58

1104,71

5353,68

1101,97

1101,12

5361,44

1099,61

1098,67

5402,15

1093,57

1092,65

5416,22

1092,37

1091,62

5421,92

1090,77

1089,91

5464,9

1084,06

1083,37

5475,55

1080,8

1079,93

5479,62

1076,46

1075,58

5516,48

1073,76

1072,86

5526,57

1072,72

1071,96

5534,25

1070,92

1070,09

5561,88

1069

1068,26

5562,94

1068,17

1067,23

5578,06

1066,07

9,35

-11,87

3,94

20,81

7,93

7,56

29,6

0,37

-18,16

11 1/4º

13,38

18,54

-33,58

22 1/2º

2,36

52,12

40,35

22 1/2º

23,03

11,77

-3,78

8,17

15,54

12,55

20,67

3,00

-8,81

20,5

11,80

3,54

43,44

8,26

-23,31

11 1/4º

7,76

31,57

16,78

11 1/4º

40,71

14,79

7,46

14,06

7,33

-22,50

11 1/4º

5,7

29,82

14,61

11 1/4º

42,98

15,22

-16,99

11 1/4º

10,65

32,21

14,13

11 1/4º

24,07

18,07

-0,02

16,86

18,09

9,01

10,02

9,08

-14,95

11 1/4º

7,74

24,03

17,37

11 1/4º

27,64

6,66

-90,51

22 1/2 + 11 ¼

1,06

97,17

84,79

45º

15,11

12,38

-3,90

1065,36

222

5605,4

1061,72

1060,91

5615,33

1058,98

1058,13

5628,02

1057,03

1056,29

5636,94

1055,36

1054,44

5651,78

1054,73

1053,99

5656,72

1053,77

1052,99

5681,19

1050,37

1049,42

5698,72

1049,75

1049,01

5707,05

1048

1047,09

5708,72

1046,85

1045,96

5712,47

1045,85

1044,96

5725

1044

1043,09

5732,11

1043,74

1042,75

5753,81

1046,62

1045,56

5755,44

1047

1046,31

5777,77

1046,66

1045,88

5797,91

1044,54

1043,77

5717,83

1042,4

1041,57

5854,23

1039,31

1038,58

5861,34

1038,74

1037,96

5906,37

1037,65

1036,95

5953,77

1032,04

1031,3

5960,6

1030,81

27,34

16,28

-11,79

9,94

28,07

13,65

12,69

14,42

-6,34

8,91

20,76

17,73

11 1/4º

14,84

3,03

-17,06

11 1/4º

4,48

20,09

5,50

24,47

14,59

12,25

17,53

2,34

-20,59

11 1/4º

8,33

22,93

-44,33

22 1/2º

1,68

67,26

40,33

22 1/2º

3,75

26,93

11,87

12,35

15,06

10,28

7,11

4,78

-8,16

21,71

-12,94

-33,07

1,63

-46,01

44,09

22,34

1,92

-8,56

20,13

10,48

-0,56

19,92

11,04

2,83

36,4

8,21

-0,37

7,11

8,58

6,31

45,03

2,27

-9,65

47,4

11,92

-7,73

6,82

19,65

6,27

1029,96

223

PURGA 22 1/2º 22 1/2º VENTOSA

•

5972,92

1029,03

1028,3

5981,38

1027,05

1026,12

6009,01

1023,44

1022,64

6024,5

1019,54

1018,7

6034,13

1017,78

1016,86

6053,92

1016

1015,4 ∑

12,33

13,38

-12,39

8,46

25,77

13,17

27,62

12,60

-12,92

15,99

25,52

6,38

9,04

19,14

11,74

19,88

7,39

7,39 VALVULA DECIERRE

1841,67

Presión de diseño:

Se obtuvo la presión estática máxima (en abscisa 935,01 m) = 1149 – 1015,4 = 133,6 m Presión de diseño = 1.3 x 133,6 = 94,46 m

La tubería que se decidió usar tiene las siguientes especificaciones:

•

•

material: PVC

•

clase: RDE 13,5

•

tipo: 1

•

grado: 1

•

presión de trabajo: A 23º 315 PSI – 2,17 MPa – 22,14 Kg/cm2

•

coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams: C = 150

Cálculo del diámetro:

Para el diseño de la tubería se utilizó la ecuación de Hazen-Wiliams: 224

Q = 0.2785 C D2.63 J0.54 donde:

Q

=

Caudal de diseño (0.053 m3/seg)

H

=

Carga hidráulica disponible

C

=

Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams 150

J

=

Pérdida de carga unitaria

D

=

Diámetro de la tubería

Carga hidráulica disponible: H = 1149 – 1016 = 133 m

La pérdida de carga unitaria se obtuvo a partir de la longitud real de tubería (L = 1841,67m): J=

133 H = = 0,072 m/m L 1841,67

Despejando el diámetro de la ecuación Hazen-Williams se obtuvo: 1

Q ⎛ ⎞ 2.63 D=⎜ ⎟ 0.54 ⎝ 0,2785 C J ⎠

⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0,2785)(150)(0,072)

1

⎞ 2,63 ⎟⎟ ⎠

D = 0.136 m = 5,35 “ Por lo anterior se dedujo que el valor del diámetro para el diseño debe ser de 6” de acuerdo al diámetro comercial. 225

Para el diámetro nominal de 6” Diámetro externo = 168,28 mm Espesor de pared = 12,47 mm Diámetro interno real = 168,28 – (12,47 * 2) Diámetro interno real = 143,34 mm Para hallar la velocidad se hizo por continuidad: V=

Q 0.053 = = 3,28 m/seg A π 2 (0,14334 ) 4

Se halló la cabeza de velocidad o altura cinética: (3,28) 2 V2 = = 0,55 m 2 g (2)(9,81) •

Cálculo de las pérdidas de energía

Perdidas por codos: 23 codos 11 ¼º 10 codos 22 ¼º 1 codos 22 ¼º + 11 ¼º 1 codo 45 º hm = 0,25 * 0,27 * 23 *

33,75 22,5 11,25 45 +1 + 1* + 10 * 90 90 90 90

hm = 1,98 m

Perdidas por Te: 226

Se ha dispuesto de una purga en la abscisa 4811,36, 5162,35 y 5732,11 debido a la depresión que allí se presenta. De paso directo (purga) en 4” K= 0,6 hm = 0,6 * 3 * 0,55 hm = 0,99 m Perdidas por entrada normal al tubo de 6” hm = 0,5 * 0,55 hm = 0,28 m Perdidas por válvulas: Válvula de cierre en la abscisa 6053,92 K= 0,2 hm = 0,2 * 1 * 0,55 hm= 0,11

Perdidas Totales: ∑hm = 1,98 + 0,11 + 0,99 + 0,28 ∑hm = 3,36 m

Verificación de diámetro teórico y la redistribución de longitudes: Carga hidráulica: H = 1149 – 1016 – 3,36 = 129,64 m Longitud real de la tubería: L = 1841,47 m 227

Perdida de carga unitaria: J=

J=

H L

129,64 = 0,070m / m 1841,67

Despejando el Diámetro: ⎛ 0.053 D = ⎜⎜ 0.54 ⎝ (0.2785)(150)(0.070)

1

⎞ 2.63 ⎟⎟ = 0,137 m ≈ 5,38” ≈ 6” ⎠

Cota piezométrica inicio = 1149 Cota piezométrica final = 1016 + 5,0= 1021

•

Comprobación del Golpe de Ariete

Válvula en abscisa = 4811,36 K = 18 Distancia real del desarenador = 4761,36m Cota = 1125,36 Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma:

228

9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900 ⎛ 143,34 ⎞ 48.2 + (18)⎜ ⎟ ⎝ 12,47 ⎠

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (4761,36 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (4761,36) 619,71

T = 15,36 seg

229

Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (2,29 m/seg)

reemplazando: ha =

(619,71)(0,55) 9.81

ha = 34,74 m

Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1149 –1125,36= 23,64 m Presión total sobre la válvula

= 34,74+23,64 = 58,38m

La presión total no excede la presión de 221,4 m diseño por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

Válvula en abscisa = 5162,35 K = 18 Distancia real del desarenador = 5112,35m

230

Cota = 1116,09 Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: 9900

C=

48.2 + k donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900 48.2 + (18)

143,34 12,47

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

T

2L C

= Tiempo de cierre o de maniobra 231

L

= Longitud hasta el desarenador (5112,35 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (5112,35) 619,71

T = 16,50 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (3,28 m/seg)

reemplazando: ha =

(619,71)(3,28) 9.81

ha = 34,74 m

Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1149 –1116,09= 32,91 m Presión total sobre la válvula

= 34,74+32,91= 67,65 m

232

La presión total no excede la presión de diseño 221,4 m por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

Válvula en abscisa = 5732,11 K = 18 Distancia real del desarenador = 5682,11m Cota = 1116,09 Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: C=

9900 48.2 + k

donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: C=

9900 48.2 + (18)

233

143,34 12,47

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (5732,11 m)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (5732,11) 619,71

T = 18,50 seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (3,28 m/seg)

reemplazando: ha =

(619,71)(3,28) 9.81

ha = 34,74 m 234

Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1149 – 1116.09= 32.91 m Presión total sobre la válvula

= 34,74 + 32.91= 67.64m

La presión total no excede la presión de 221,4 m diseño por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

Válvula en abscisa = 6053,92 K = 18 Distancia real del desarenador = 6003,92m Cota = 1013,4 Diámetro = 6” (Real = 143,34mm) Espesor de la pared = 12,47 mm Velocidad = 3,28 m/s

La celeridad de la onda se obtuvo de la siguiente forma: C=

9900 48.2 + k

donde:

D e

C

=

Celeridad de la onda

D

=

Diámetro del tubo

e

=

Espesor de la pared del tubo

235

K

=

Relación entre el módulo de elasticidad del agua y el del plástico (18)

reemplazando: 9900

C=

48.2 + (18)

143,34 12,47

C = 619,71 m/seg

La fase de la tubería fue obtenida según la ecuación: T=

donde:

2L C

T

= Tiempo de cierre o de maniobra

L

= Longitud hasta el desarenador (6003,92)

C

= Velocidad de la propagación de la onda o celeridad

reemplazando: T=

(2) (6003,92) 619,71

T = 19,38seg Se obtuvo el valor de la sobre presión al cierre instantáneo de la válvula por medio de la ecuación: ha =

donde:

CV g

ha

=

Sobre presión

C

=

Velocidad de la propagación de la onda o celeridad 236

g

=

Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

V

=

Velocidad (3,28 m/seg)

reemplazando: ha =

(619,71)(3,28) 9.81

ha = 34,74 m Se obtuvo el tiempo de maniobra para no sobrepasar la presión de diseño: Presión estática sobre la válvula = 1149 – 1013,4= 135,6 m Presión total sobre la válvula

= 34,74+135,6 = 170,34m

La presión total no excede la presión de diseño 221.4m por lo cual no hay problema al presentarse la sobre presión máxima por golpe de ariete.

•

Materiales construcción estructuras diseñadas:

Concreto:

Para la escogencia del concreto que se debe utilizar en la construcción de la bocatoma y del desarenador, se debe usar concreto de resistencia de 3000 PSI, que tiene una buena resistencia y buena adherencia al acero.

Acero:

Para la escogencia del acero que se debe utilizar en la construcción de la bocatoma y del desarenador, se utilizó el método de la resistencia última, para lo cual se tomó la cuantía mínima: 237

As = ρbd As = (0.0033) (100) (4) As = 1.32 cm2

Entonces se aconseja colocar acero de 3/8” de diámetro con una separación de 20 cm en donde sea necesario y con los ganchos indicados, para que durante la vida útil de diseño de las estructuras estas se mantengan en perfecto estado.

4.1.4.2

OBRAS OPTIMIZADAS

BOCATOMAS De acuerdo al diagnostico realizado a cada una de las bocatomas se decidió realizar el diseño de una nuevas bocatoma ya que estas presentaban daños considerables en su estructura, además de que estas están localizadas en suelos inestables y poco resistentes a la erosión, por tal razón se decidió realizar una nuevo diseño de las bocatomas. Las cuales podrán captar un caudal que garantizaran en un horizonte de planeación el suministro de agua al sistema (ver anexo L y N).

DESARENADORES Para garantizar el correcto funcionamiento de estos se decidió diseñar unas nuevas unidades las cuales tendrán las dimensiones necesarias para realizar de manera eficiente el proceso de sedimentación. Estos nuevos módulos tendrán

238

unas pendientes que garantizaran el fácil rodamiento de los lodos hacia la tubería de desagüe y su fácil limpieza ( ver anexo M y O).

LINEA DE CONDUCCION El nuevo trazado de la conducción se realizo mediante alineamientos rectos con profundidades entre 0.6 y 1.2 m, utilizando tubería en PVC las cuales garantizaran una buena acomodación al terreno, gran resistencia a cargas externas y buena resistencia a la corrosión. Se decidió escoger esta tubería ya que la que actualmente tienen el acueducto es en asbesto-cemento y debido al hecho de que la fibra de asbesto es un material cancerigeno cuando es inhalado y a que dicha fibra en el agua puede ser causante de cáncer intestinal por esta razón se decidió hacer el cambio en el material de la tubería por la de polivinilo de cloruro (PVC) con el fin de prevenir a la comunidad en un futuro el padecimiento de alguna enfermedad (ver anexos C, D, G, H, I, J, K).

4.1.4.3. PRESUPUESTO Tabla 22. Presupuestó general de obra. ITEM 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

DESCRIPCION ADECUACION BOCATOMA AGUAS CLARAS Demolición muros de 0.25 y placas piso de la estructura de bocatoma Transporte de escombros en volqueta(M3) Localización y replanteo de la estructura de la bocatoma Excavaciones en material conglomerado (incluye todo factor). Suministro y colocación de concreto simple de 3000 psi. Acero de refuerzo para la estructura.(corte, figurado y colocado)

239

UN

CANT

V/UNT

V/UNT

M2

35

5.003

175.105

Vj.

5

9500

47500

M2

28

1.300

36.400

M3

6

15.000

90.000

M3

0,5

320.000

160.000

KG

50

1.800

90.000

1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,2,1 2,2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 3,10 3,11 4 4,1 4,2 4,2,1 4,2,1 4,3

Rejilla metálica, ángulo 2x2x3/8" en varilla 3/8"/5cm. Área libre de Válvula de cierre, sello bronce de d=4" Accesorios en PVC (incluye tub. d=4" l=5 mt desagüe, adaptadores y tapones ) ADUCCION BOCATOMA - DESARENADOR Localización y replanteo (incluye nivelación y comparación de la Línea de conducción ) Excavaciones Mat. común (incluye. todo factor) Mat. roca (incluye. todo factor) Suministro y colocación concreto reforzado 3000 psi ,encofrado de tubería 4". Suministro e instalación de acero para atraques tubería 4 " Suministro e instalación tubería 4" RDE 26. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Relleno en material seleccionado y compactado. DESARENADOR Demolición muros de 0.25 de la estructura de desarenador Transporte de escombros en volqueta(M3) Localización y replanteo de la estructura del desarenador Excavaciones en material común (incluye todo factor ) Relleno en material seleccionado y compactado proveniente de la Excavación. Suministro y colocación de concreto pobre para sub-base Placa Suministro y colocación de concreto simple de 3000 psi. Acero de refuerzo para la estructura.(corte, figurado y colocado) Suministro y colocación tubería 4" RDE 26 para desagüe Accesorios en PVC (incluye niples, codos, tes, adaptadores, etc. Pañete impermeabilizado 1:3 CONDUCCION DESARENADOR CRUCE TUBERIA CAMENZO VEREDA SABANETA localización y replanteo (incluye nivelación y comparación de la Línea de conducción ) Excavaciones mat. común (incluye. todo factor) mat. roca (incluye. todo factor) Suministro e instalación tubería 4" RDE 26. unión mecánica (incluye

240

UN

1

75.000

75.000

UN

1

150.000

150.000

GL

1

100.000

100.000

ML

19

500

9.500

M3 M3

1 3

12.000 20.000

12.000 60.000

M3

1,2

320.000

384.000

KG

19

1.800

34.200

ML

50

9.500

475.000

M3

2

4.000

8.000

M2

53

5.003

265.159

Vj. M2

5 3

9.500 1.300

47.500 3.900

M3

2

12.000

24.000

M3

3

M3

0,3

280.000

84.000

M3

1

320.000

320.000

KG

100

1.800

180.000

ML

5

8.500

42.500

GL

1

250.000

250.000

M2

5

7.100

35.500

ML

1856,08

500

928.040

M3 M3 ML

79,8 15 933,83

4.000

12.000 20.000 8.500

12.000

957.600 300.000 7.937.555

4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 4,10 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6 6,1 6,2 6,2,1 6,2,2 6,3 6,4 6,5 6,6 7

transporte y accesorios PVC, etc Suministro e instalación tubería 4" RDE 21. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Suministro e instalación tubería 6" RDE 32,5 unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Relleno en material seleccionado de la misma brecha y compactado Relleno en material seleccionado y compactado. Suministro e instalación válvulas de lavado (incluye cajilla, tubería y demás accesorios d=2") Suministro e instalación válvulas de purga 4" (incluye cajilla, tubería y demás accesorios ) Suministro y colocación de concreto ciclópeo de 2500 psi ADECUACION BOCATOMA CAMENZO Demolición muros de 0.25 y placas piso de la estructura de bocatoma Transporte de escombros en volqueta(M3) Localización y replanteo de la estructura de la bocatoma Excavaciones en material conglomerado (incluye todo factor). Suministro y colocación de concreto simple de 3000 psi. Acero de refuerzo para la estructura.(corte, figurado y colocado) Rejilla metálica, ángulo 2x2x3/8" en varilla 3/8"/5cm. área libre de Válvula de cierre, sello bronce de d=4" Accesorios en PVC (incluye tub. d=4" l=5 mt desagüe, adaptadores y tapones ) ADUCCION BOCATOMA - DESARENADOR Localización y replanteo (incluye nivelación y compactación de la Línea de conducción ) Excavaciones Mat. común (incluye. todo factor) Mat. roca (incluye. todo factor) Suministro y colocación concreto reforzado 3000 psi ,encofrado de Tubería 4". Suministro e instalación de acero para atraques tubería 4 " Suministro e instalación tubería 4" RDE 26. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Relleno en material seleccionado y compactado. DESARENADOR

241

ML

532,69

8.500

4.527.865

ML

445,11

8.500

3.783.435

M3

79,8

4.000

319.200

M3

15

15.000

225.000

UN

3

180.000

540.000

UN

3

220.000

660.000

M3

12

230.000

2.760.000

M2

59

5.003

295.177

Vj.

5

9,500

47.500

M2

28

1.300

36.400

M3

6

15.000

90.000

M3

0,5

320.000

160.000

KG

50

1.800

90.000

UN

1

75.000

75.000

UN

1

150.000

150.000

GL

1

100.000

100.000

ML

50

500

25.000

M3

1

12.000

12.000

M3

3

20.000

60.000

M3

1,2

320.000

384.000

KG

19

1.800

34.200

ML

50

9.500

475.000

M3

2

4.000

8.000

7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 7,10 7,11 8 8,1 8,2 8,2,1 8,2,1 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9 8,10 8,11 8,11,1 8,11,2 8,11,3 9

Demolición muros de 0.25 de la estructura de desarenador Transporte de escombros en volqueta(M3) Localización y replanteo de la estructura del desarenador Excavaciones en material común (incluye todo factor ) Relleno en material seleccionado y compactado proveniente de la excavación. Suministro y colocación de concreto pobre para sub-base Placa Suministro y colocación de concreto simple de 3000 psi. Acero de refuerzo para la estructura.(corte, figurado y colocado) Suministro y colocación tubería 6" RDE 41 para desagüe Accesorios en PVC (incluye niples, codos, Tes., adaptadores, etc. Pañete impermeabilizado 1:3 CONDUCCION DESARENADOR CRUCE TUBERIA CAMENZO VEREDA SABANETA Localización y replanteo (incluye nivelación y comparación de la Línea de conducción ) Excavaciones Mat. común (incluye. todo factor) Mat. roca (incluye. todo factor) Suministro e instalación tubería 6" RDE 41. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Suministro e instalación tubería 6" RDE 21. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Relleno en material seleccionado de la misma brecha y compactado Relleno en material seleccionado y compactado. Suministro e instalación válvulas de lavado (incluye cajilla, tubería y demás accesorios d=2") Suministro e instalación válvulas de purga 6" (incluye cajilla, tubería y demás accesorios ) Suministro y colocación de concreto ciclópeo de 2500 psi Suministro y colocación de concreto simple de 3000 psi. Cámara de quiebre Concreto de 3000 p.s.i. Acero de refuerzo A 37 Suministro e instalación de cheque cortina 6" CONDUCCION CRUCE VEREDA SABANETA TANQUE DE ALMACENAMIENTO

242

M2

63

5.003

315.189

Vj. M2

5 3

9.500 1.300

47.500 3.900

M3

2

12.000

24.000

M3

3

M3

0,3

280.000

84.000

M3

1

320.000

320.000

KG

100

1.800

180.000

ML

5

8.500

42.500

GL

1

250.000

250.000

M2

5

7.100

35.500

ML

1856,08

500

928.040

M3 M3 ML

79,8 15 960,54

12.000 20.000 8.500

957.600 300.000 8.164.590

ML

951,3

8.500

8.086.050

M3

79,8

4.000

319.200

M3

15

15.000

225.000

UN

3

180.000

540.000

UN

2

220.000

660.000

M3

12

230.000

2.760.000

M3

0,5

320.000

160.000

M3 KG UN

2.91 75.42 9.0

966.134 2.626 91.859

2.811.449 198.052 826.731

4.000

12.000

9,1 9,2 9,2,1 9,2,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 9,10

Localización y replanteo (incluye nivelación y comparación de la Línea de conducción ) Excavaciones Mat. común (incluye. todo factor) Mat. roca (incluye. todo factor) Suministro e instalación tubería 6" RDE 26. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Suministro e instalación tubería 6" RDE 13.5. unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Suministro e instalación tubería 6" RDE 13,5 unión mecánica (incluye transporte y accesorios PVC, etc Relleno en material seleccionado de la misma brecha y compactado Relleno en material seleccionado y compactado. Suministro e instalación válvulas de lavado (incluye cajilla, tubería y demás accesorios d=6") Suministro e instalación válvulas de purga 6" (incluye cajilla, tubería y demás accesorios ) Suministro y colocación de concreto ciclópeo de 2500 psi VALOR PRESUPUESTO

243

ML

1856,08

500

928040

M3 M3 ML

79,8 15 998.88

12.000 20.000 8500

957.600 300.000 16678000

ML

1296.95

8500

11024075

ML

1841.67

8500

5654195

M3

79,8

4.000

319.200

M3

15

15.000

225.000

3

180000

540000

UN

5

220000

660000

M3

12

230000

2760000

145’780.628

5. COSTOS TOTALES DE LA INVESTIGACIÓN

5.1 RECURSOS MATERIALES Los recursos materiales usados durante el desarrollo de la presente investigación fueron:

Tabla 23. Presupuesto de recursos materiales

CONCEPTO

UNIDAD

CANTIDAD

VALOR UNITARIO

Papel bond tamaño 1 $ carta Global Papel bond tamaño 1 $ Global pliego Discos compactos 1 $ Global Cartografías 1 $ Global Fotocopias 1 $ Global Impresiones 1 $ Global Foto planos 1 $ Global TOTAL RECURSOS MATERIALES

VALOR TOTAL

22.000,00

$

22.000,00

50.000,00

$

50.000,00

55.000,00 40.000,00 20.000,00 120.000,00 117.000,00

$ $ $ $ $ $

55.000,00 40.000,00 20.000,00 120.000,00 170.000,00 477.000,00

5.2 RECURSOS INSTITUCIONALES Los recursos institucionales de la presente investigación fueron: • Alcaldía municipal de Timana (Huila) • Universidad de La Salle

5.3 RECURSOS TECNOLÓGICOS Los recursos tecnológicos usados durante el desarrollo de la presente investigación fueron:

Tabla 24. Presupuesto de recursos tecnológicos

CONCEPTO Cámara digital fotográfica Computador Impresora Plotter Fax Scanner

UNIDAD

CANTIDAD

VALOR UNITARIO

1 $ Global 1 $ Global 1 $ Global 1 $ Global 1 $ Global 1 $ Global TOTAL RECURSOS TECNOLÓGICOS

VALOR TOTAL

60.000,00

$

60.000,00

500.000,00 250.000,00 400.000,00 45.000,00 60.000,00

$ $ $ $ $ $

500.000,00 250.000,00 400.000,00 45.000,00 60.000,00 1.315.000,00

5.4 RECURSOS HUMANOS Los recursos humanos que formaron parte durante el desarrollo de la presente investigación fueron:

Tabla 25. Presupuesto de recursos humanos

CARGO

ENCARGADOS

No. Semanas

Valor Total

Investigadores principales

Estudiantes de proyecto de grado

32

--------

Director temático ÏÏÏ

20

$ 109.600,00

Asesor metodológico ÏÏÏÏ

32

$ 579.200,00

Coinvestigadores

TOTAL RECURSOS HUMANOS

$ 688.800,00

5.5 OTROS RECURSOS Otros tipos de recursos que se usaron durante el desarrollo de la presente investigación aparecen en las tabla 10 y 11:

ÏÏÏ

Valor asumido por la Universidad de La Salle, según resolución 360 de noviembre 11 de 2004. Valor asumido por l Universidad de La Salle, según contrato laboral.

ÏÏÏÏ

245

Tabla 26. Presupuesto de viáticos

NOMBRES DEL INVESTIGADOR

LUGAR DE ESTADIA

No DE DIAS

VALOR DIA

VALOR TOTAL

Estudiantes de proyecto de grado

Pitalito

10

$ 20.000,00

$ 200.000,00

TOTAL PRESUPUESTO DE VIÁTICOS

$ 200.000,00

Tabla 27. Presupuesto de bibliografía

VALOR

TITULO DEL LIBRO Elementos de Diseño para acueductos y alcantarillados

$ 70.000,00

TOTAL PRESUPUESTO DE BIBLIOGRAFÍA

$ 70.000,00

Tabla 28. Presupuesto de transporte

TRAYECTO

VALOR PASAJE

NUMERO

VALOR TOTAL

Bogotá-Pitalito

$

42.000,00

9

$

378.000,00

Pitalito-Bogotá

$

42.000,00

9

$

378.000,00

Pitalito-Timana

$

3.000,00

27

$

81.000,00

Timana-Pitalito

$

3.000,00

27

$

81.000,00

TOTAL PRESUPUESTO DE TRANSPORTES

$ 918.000,00

5.6 RECURSOS FINANCIEROS El total de recursos financieros que se invirtieron durante el desarrollo de la presente investigación fueron:

246

Tabla 29. Presupuesto recursos financieros

FUENTES DE FINANCIACIÓN

RUBROS

Recursos humanos Recursos materiales Recursos tecnológicos Presupuesto de viáticos Presupuesto de bibliografía Presupuesto de transporte Subtotal Imprevistos (5%) TOTAL

ENTIDAD PATROCINADORA ALCALDÍA MUNICIPAL DE TIMANA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL $

ESTUDIANTES

688.800,00

$ 180.000.00

688.800,00 477.000,00

477.000,00

$

$

1.315.000,00

$ 1.315.000,00

$

200.000,00

$

200.000,00

$

70.000,00

$

70.000,00

$

918.000,00

$ 1.098.000,00 $ 3.848.800,00

$

688.800,00

$

2980.000,00

$

9.000,00

$

34.440,00

$

149.000,00

$ 189.000,00

$

723.240,00

247

$ $

$ 180.000,00

TOTAL RECURSOS FINANCIEROS

TOTAL

$

997.500,00

$

192.440,00

$

1.909.740,00

$

5.950.980,00

6. CONCLUSIONES

•

El presente trabajo de grado nos permitió poner en práctica los conocimientos teóricos adquiridos en el proceso de formación como Ingenieros Civiles en la Universidad De La Salle.

•

Basados en el diagnostico a las estructuras existentes de captación y conducción como de las características topográficas de la zona, se decidió diseñar nuevas estructuras ya que la vida útil de todo el sistema a finalizado y sus diseños no se ajustan a los parámetro requeridos por la optimización. los nuevos diseños del sistema de abastecimiento cumplen normatividades y parámetros que se contemplan para este tipo de proyectos.

•

Con este proyecto se pretende brindar a la comunidad un mejor sistema de abastecimiento de agua potable más flexible y eficiente con el fin de mejorar la calidad de vida de los usuarios del casco urbano de timaná (Huila).

•

En el desarrollo del proyecto se logro garantizar que las fuentes de abastecimiento las quebradas Camenzo y Aguas Claras proporcionaran un caudal de 53 L/s, de acuerdo a los aforos realizados a cada una de las fuentes,

por esta razón cumplen con el caudal demandado por la comunidad que de acuerdo a la proyección realizada a 20 años este deberá ser de 44.56 l/s.

•

Es importante que se empleen mecanismos de protección de las cuencas con el fin de mantener este caudal a futuro, además establecer una supervisión continua a las estructuras del sistema con el fin de revisar en ellas los aspectos técnicos para evitar problemas en el sistema.

• Es necesario la instalación de medidores de agua o de reguladores de consumo que permitan determinar los volúmenes de agua entregados en forma diaria, así como las variaciones de gasto. Ello permitirá determinar fallas del servicio, desperdicios y usos no controlados, pudiendo tomarse medidas correctivas para el mejor funcionamiento del sistema, además de poder establecer un sistema tarifario que permita al municipio financiar el mantenimiento del sistema.

• Para la optimización del acueducto por gravedad del municipio de Timana (Huila) tendrá un costo total de $145.780.628, el cual comprende estructura de captación, desarenadores, conducción además de la mano de obra y transporte de materiales al sitio de construcción.

249

BIBLIOGRAFÍA

ALCALDÍA MUNICIPAL DE TIMANA, Esquema de Ordenamiento Territorial Timana, 2002.

ALCALDÍA MUNICIPAL DE TIMANA, Plan de Desarrollo Municipal Timana. Timana, 2004- 2007.

CORCHO ROMERO, Freddy Hernán.

Acueductos: teoría y diseño.

Medellín:

Universidad de Medellín. Centro General de Investigaciones, 1993. 591 p. (Colección Universidad de Medellín; 16).

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Tesis y otros trabajos de grado. (QUINTA ACTUALIZACIÓN). Bogotá : ICONTEC, 2002.

LOPEZ CUALLA, Ricardo Alfredo.

Elementos de diseño para acueductos y

alcantarillados. 2 ed. Bogotá : Escuela Colombiana de Ingeniería, 2003. 546 p. + 1 CD. ISBN 958-8060-36-2.

MUÑOZ RAZO, Carlos. Como elaborar y asesorar una investigación de tesis. México 1998. 1 ed. P 9. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.

RUIZ SARAY, Rosa Amparo. Estructura a tener en cuenta para la presentación escrita del trabajo de grado: Anteproyecto. EN ASESORÍAS METODOLÓGICAS (1º: 2003 : Bogotá) memorias de la primera asesoría metodológicas para la presentación de informes del proyecto investigador. Bogotá: U.S.B; 2003. 15p.

255

Anexo A. Plano de localización Municipio de Timana

256

Anexo B. Perfil aducción y conducción tramo 1 Aguas Claras

257

Anexo C. Perfil conducción tramo 2 Aguas Claras

258

Anexo D. Perfil conducción tramo 3 Aguas Claras

259

Anexo E. Perfil aducción y conducción tramo 1 Camenzo

260

Anexo F. Perfil conducción tramo 2 Camenzo

261

Anexo G. Perfil conducción tramo 1 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

262

Anexo H. Perfil conducción tramo 2 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

263

Anexo I. Perfil conducción tramo 3 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

264

Anexo J. Perfil conducción tramo 3 Cruce Vereda Sabaneta – Tanque de Almacenamiento

265

Anexo K. Plano de los detalles de la captación Quebrada Aguas Claras

266

Anexo L. Plano de los detalles desarenador Quebrada Aguas Claras

267

Anexo M. Plano de los detalles de la captación Quebrada Camenzo

268

Anexo N. Plano de los detalles desarenador Quebrada Camenzo

269

Anexo O. Detalles cámara de quiebre

270

Anexo P. Detalles válvulas y colocación de tubería

271

ÍNDICE DE CONTENIDO JURADO EVALUADOR ……...……………………......………………….………ii PRESENTACIÓN………………......………………………………………………iii DEDICATORIA………………...…………………...………………………………iv AGRADECIMIENTO…………...…………………………………………………..v RESUMEN…...……………………………...……………………………………...vi ABSTRACT…...………………………...………………………………………….vii CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN…………………...……..………..…….………..1 1.1. Introducción…………..…………………….…..………….………….……....1 1.2. Descripción de la situación actual……………………………….…..……...3 1.2.1 Diagnostico regional de la situación actual…….………...…..3 1.3. Problemática energética……………………….…….………………………4 1.4. Justificación del proyecto……………………..………….…………….........4 1.5. Objetivos………………………………………………….……….…………...5 1.5.1 Objetivo general……………..……………………….………….5 1.5.2 Objetivos específicos………………………….…………….….6 1.6. Antecedentes de la investigación…………………………………………..6 CAPÍTULO II: MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………....13 2.1 Estudio topográfico………………………………………………..……..13 2.1.1 Reconocimiento de la zona y estudio preliminar……… …...13 2.1.2 Levantamiento topográfico……………………………………13 2.2 Mecánica de suelos…………………………………………………..….20 2.3 Estudio hidrológico de la microcuenca…………………………….…..26 2.3.1 Análisis hidrológico……………………………………………26 2.3.2 Delimitación y planimetrado………………………...……......26 2.3.3 Caracterización………………………………………………...27 2.3.4 Características geomorfológicas……………………………..27 2.4 Definición y pronóstico de mercado eléctrico………………………...33 2.4.1 Información de población y vivienda…………………….…..34 2.4.2 Consumo actual de recursos energéticos………….........…35 2.4.3 Pronóstico de la demanda eléctrica……………….……..….39 2.4.3.1 Pronóstico de la población……………….……......39 2.4.3.2 Pronóstico del número de viviendas….……….….39 2.4.3.3 Pronóstico de abonados domésticos…….….…....39 2.4.3.4 Pronóstico de abonados comerciales…….…..…..40 2.4.3.5 Pronóstico de consumo doméstico y alumbrado público (CDAP)……………………………………..…......….40 2.4.3.6 Pronóstico de consumo comercial (CC)……….....41 viii

2.4.3.7 Pronóstico de consumo industrial (CI)…………….41 2.4.3.8 Pronóstico de consumo de cargas especiales (C.Esp.)………………………………………………………..41 2.4.3.9 Pronóstico del consumo total (CT)………………...42 2.4.3.10 Pronóstico de la máxima demanda………...…….42 2.4.3.11 Resumen de la proyección de la demanda……...43 2.5 Reconocimiento de la zona y estudio preliminar…………………......43 2.6 Planificación del diseño………………………………………….…...…44 CAPÍTULO III: FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………….45 3.1 Estructura de captación……………………………………......……....45 3.1.1 Partes de una captación…………………………………......46 3.1.2 Canal de conducción…………………………………………50 3.1.2.1 Consideraciones para el diseño…………………..50 3.1.3 Aliviadero………………………………………………………54 3.1.4 Desarenador……………………………………………….….56 3.1.4.1 Sedimentación de los sólidos……………….….…56 3.1.4.2 Evacuación de los sólidos………………….……...56 3.1.4.3 Ecuaciones básicas y criterios para el diseño...…57 3.1.5 Cámara de carga………………………………………….......61 3.1.6 Tubería de presión……….……………………………….…...62 3.1.6.1 Criterios de diseño – Selección del número de tuberías………………………………………………………...63 3.1.6.2 Componentes del sistema del conducto forzado...64 3.1.7 Casa de Máquinas ……………………………………..…...65 3.1.7.1 Equipamiento de la casa de máquinas….………...67 3.1.7.2 Selección del grupo hidroeléctrico…………………67 3.1.7.3 Alternador eléctrico……….…………………….…...71 CAPÍTULO IV: RESULTADOS……………………………………………..……75 4.1 Ubicación del proyecto ………..……………………………….…….....75 4.2 Clima y topografía…………………………………………………...…..76 4.3 Resultados hidrológicos…………..………………………………...…..76 4.4 Proyección de la demanda………….……………..……………….…..77 4.5 Potencia disponible ………………………..……………..………….…78 4.6 Diseño hidráulico y estructural de obras civiles …………...…………78 4.6.1 Diseño de la bocatoma ………………………………....….…79 4.6.1.1 Ubicación de la Bocatoma …………………...….…79 4.6.1.2 Parámetros de diseño hidráulico ……………….....79 4.6.2 Diseño hidráulico del canal entre la ventana reguladora y el desarenador………………………………………………….……….93 4.6.3 Calculo de las dimensiones del aliviadero……….…..……..95 ix

4.6.4 Dimensionamiento del desarenador …………………...……96 4.6.5 Tubería de PVC para reemplazar canal entre desarenador y cámara de carga........................................................................98 4.6.6 Dimensionamiento de la cámara de carga …………..…...100 4.6.7 Diseño de la tubería forzada ………………….…….….…103 4.6.8 Apoyos y anclajes …………………………………………...111 4.6.9 Selección del grupo hidroeléctrico ………….……..…..…..112 4.6.10 Tablero de control ………………………….……..……..…113 4.6.11 Equipo contra incendios …………………………………...114 4.6.12 Cuarto de máquinas ……………………….……………...118 CAPITULO V: CONCLUSIONES………………………………………..........119 CAPITULO VI: RECOMENDACIONES……………………………...........….121 CAPITULO VII: REEFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS….…..….….…...….122 ANEXOS………………………………………………………………….….......123 PLANOS……………………………………………………………………...…..124

x

INDICE DE CUADROS CUADRO Nº01 Relación entre la población abastecida con suministro eléctrico y el IDH…………………………………………………………………………………………….…3 CUADRO Nº02 Datos topográficos……………………………………………………..…..17 CUADRO Nº03 Número de habitantes/viviendas C.P. Llopish………….….……….…..34 CUADRO Nº04 Preguntas de control de la entrevista…………..……….…..…..……....35 CUADRO Nº05Artefactos eléctricos de mayor uso…………...………..….……...….…..37 CUADRO Nº06 Costo de los recursos energéticos empleados para iluminación..……37 CUADRO Nº07 Artefactos de iluminación durante el primer año de servicio eléctrico.38 CUADRO Nº08 Talud recomendado en canales…………..…………………………..….51 CUADRO Nº09 Velocidades máximas permisibles para canales no revestidos..……..53 CUADRO Nº10 Diámetro límite de sólidos en suspensión…….………………..….……59 CUADRO Nº11 Velocidad de caída promedio…………………….………………….…...60 CUADRO Nº12 Tiempo de sedimentación promedio………………………...…….….....61 CUADRO N°13 Proyección de demanda eléctrica centro poblado de Llopish...……...77 CUADRO N°14 Coeficiente de contracción para pilas……………………………….…..82

xi

CAPÍTULO I: 1.1

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

La Electrificación Rural en la actualidad constituye un factor importante para el desarrollo de los pueblos aislados, sin embargo las instancias involucradas en el tema poco o nada están haciendo, sobre todo si trata de poblaciones pequeñas con escaso poder económico, social y político.

Los gobiernos regionales vienen ejecutando proyectos de microhidroenergía como una alternativa viable para sus pueblos ubicados en zonas aisladas, los que difícilmente se anexarían al Sistema

Interconectado

Nacional;

al

mismo

tiempo

está

propiciando la intervención cada vez mayor de las instancias de gobierno y privadas a fin de hacer realidad los proyectos de Electrificación Rural, aprovechando para ello los recursos naturales que nos proporciona la naturaleza.

Las condiciones naturales que presenta el centro poblado de la quebrada Llopish son las adecuadas para la generación de energía, tanto para el servicio de alumbrado como para la generación de nuevas opciones de trabajo; este aspecto es importante resaltar, ya que los últimos años muchas instituciones privadas, como algunas del Estado están promoviendo la pequeña industria a nivel local; y para ello es fundamental contar con energía eléctrica. Por otro lado se aprecia la firme decisión y deseo del Gobierno Regional y sus representantes en la gestión del financiamiento para proyectos de mini centrales hidroeléctricas en la zona. Según el Ministerio de Energía y Minas, para el 2004, el 24% de la población total del país no tenía acceso al servicio eléctrico, es decir unos 6.5 millones de habitantes. En el sector rural, según la

1

misma fuente, sólo el 32% de la población posee suministro eléctrico. Por lo tanto la disponibilidad la energía eléctrica que constituye un insumo básico en todas las actividades productivas y sociales, es condicionante de la competitividad del país, y sin embargo podría ser un componente primordial para asegurar la calidad de vida de la población.

A pesar de ello, el abastecimiento de energía eléctrica a través de la Red Nacional se hace cada vez más costoso y muchas poblaciones lejanas no tienen posibilidad de afrontar dichos gastos.

Por lo tanto, ampliar la cobertura del servicio eléctrico, resulta entonces, un elemento importante en la disminución de los niveles de pobreza de las poblaciones que actualmente están aisladas y marginadas.

Éste es el principal objetivo que tienen las instituciones que forman Programas de Energía, Infraestructura y Servicios Básicos y que para lograrlo, se promueve la implementación de proyectos de generación del servicio eléctrico a través de la construcción de Micro Centrales Hidroeléctricas en poblados rurales. En este es un campo también del ingeniero civil que debe plantear soluciones a nivel de obras civiles para generar energía renovable mediante Mini centrales Hidroeléctricas en centros rurales aprovechando la topografía e hidrografía no solo de grandes ríos sino de pequeños ríos y quebradas de nuestro territorio adecuadas para este tipo de proyectos. En el siguiente cuadro se muestra la relación entre la población abastecida con suministro eléctrico y los datos del Informe de Desarrollo Humano publicado por el Programa de las Naciones Unidas 2004 (IDH).

2

CUADRO Nº01: RELACIÓN ENTRE LA POBLACIÓN ABASTECIDA CON SUMINISTRO ELÉCTRICO Y EL IDH

1.2

DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN ACTUAL 1.2.1 Diagnostico regional de la situación actual El sistema regional actualmente se encuentra en déficit de oferta energética, lo cual hace necesario buscar nuevas fuentes de generación de energía y reducir las pérdidas de Transmisión.

3

1.3

PROBLEMÁTICA ENERGÉTICA

Actualmente el Centro Poblado de Llopish, no cuenta con algún servicio de energía eléctrica, haciendo uso de algunos generadores eléctricos de poca capacidad de procedencia privada, como alumbrado domiciliario en cortas horas por la noche, y el uso que hace es una reducida población; el resto de la población se iluminan con alumbrados rústicos o caseros (pilas secas, kerosene, velas, mechones).

El servicio eléctrico mediante generadores eléctricos es restringido, para este servicio parte de la población cuentan con generadores a base de combustible (gasolina), lo cual hace demasiado caro este servicio, motivo por lo que cuentan con pocas horas de servicio eléctrico (6.00 p.m. – 10.00 p.m.). Por consecuencia de la carencia de este servicio los pobladores se encuentran en un estado de atraso socio-económico.

1.4

JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

Al igual que muchos pueblos en el ámbito nacional siguen esperando el ansiado desarrollo socioeconómico de su población, parte importante lo constituye el logro de la generación de energía eléctrica limpia y barata. La construcción de la Mini Central Hidroeléctrica permitirá dotar del servicio de alumbrado público y domiciliario en mejores condiciones a la población; y lo que es más importante permitirá la creación de nuevas alternativas de generación de empleo, a través de la microempresa y pequeños negocios, tales como plantas transformadoras de productos agropecuarios a pequeña escala, talleres artesanales, talleres de servicios, cargadores de baterías, etc.

4

El lugar cuenta con los recursos naturales favorables como son el agua y el desnivel topográfico, en cantidad suficiente y permanente para la generación de energía eléctrica. Adicionalmente se encuentra con la buena predisposición de las autoridades actuales del

Gobierno

Regional

para

participar

en

la

gestión

de

financiamiento y construcción de la Mini Central Hidroeléctrica. Justificación académica: El proyecto de tesis se justifica académicamente

porque

permitirá

aplicar

procedimientos

y

metodologías para realizar el modelamiento hidráulico de la a Mini Central Hidroeléctrica con los estudios básicos de Ingeniería. Justificación social: El proyecto se justifica socialmente porque proporcionará y abastecerá con energía de origen hidráulico no contaminante al centro poblado en estudio. Formulación del problema: ¿Cuáles son los criterios técnicos para el Modelamiento hidráulico de la de la mini central hidroeléctrica del Centro Poblado de Llopish – Ancash? Alcance: El alcance del proyecto es a nivel de los centros poblados y otros favorecidos con el proyecto que pertenecen al Distrito de Corongo.

1.5

OBJETIVOS 1.5.1 Objetivo General Realizar el Modelamiento hidráulico de la mini central hidroeléctrica del Centro Poblado de Llopish - Ancash”.

5

1.5.2 Objetivos Específicos: 

Realizar los estudios básicos tales como: hidrología, Topografía y Mecánica de Suelos.



Determinar la demanda eléctrica.



Determinar el caudal de diseño de obras civiles en función de la demanda.



Realizar el modelamiento hidráulico de las obras civiles de

la

Mini

Central

Hidroeléctrica

(bocatoma,

desarenador, cámara de carga y tubería de presión). 

Plantear el diseño de la casa de máquinas patio de llaves y otros.



Dibujar los diferentes planos correspondientes a los diseños realizados.

1.6

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN TITULO: Estudio de la pequeña central hidroeléctrica de Monzón. AUTOR: Víctor Alejandro Pajuelo Santos. PAIS: Perú. AÑO: 2007. RESUMEN: La presente tesis trata sobre el estudio de la Pequeña Central Hidroeléctrica de Monzón, ubicada en la provincia de Huamalíes, departamento de Huánuco. Empezamos este trabajo viendo los objetivos del proyecto, los cuales eran de dotar de energía eléctrica a la localidad de Monzón. Para ello hacemos un análisis del mercado eléctrico y vemos las alternativas

para

cubrir

esta

demanda

seleccionamos la Central Hidroeléctrica.

6

de

las

cuales

Analizamos las cuencas cercanas a la población y decidimos por la que ofrecía las mejores condiciones para desarrollar el proyecto. Como en todo proyecto hidroenergético estudiamos primero la disponibilidad de la fuente principal de todo este mecanismo, que es el agua y por ello hacemos los estudios hidrológicos. A continuación hacemos los estudios geológicos y topográficos del área

seleccionada, También hacemos los análisis de los

materiales de construcción que hay en las canteras. Proseguimos con el diseño de las obras y su respectiva justificación. En una central hidroeléctrica se busca que la obra sea bien diseñada, garantizando su buen funcionamiento y estabilidad de sus componentes. Con la demanda encontrada y ubicándonos en la zona del proyecto se ha calculado que se puede construir una PCH de 360 KW de potencia. Hacia ello va nuestro trabajo. Adicionalmente presentamos los sistemas de transmisión eléctrica a nivel de estructuras típicas y la subestación de salida. Por último calculamos el presupuesto total del proyecto y realizamos una evaluación económica del mismo para ver su rentabilidad Las tablas se encuentran en un archivo Excel denominado tablas – tesis y ayudan a esquematizar datos y cálculos en cada capítulo.

TITULO: Simulación numérica de la hidrodinámica y el transporte de sólidos suspendidos en el embalse de Yacyretá. AUTOR: Christian Uriel Álvarez Tagliabue. PAIS: Argentina AÑO: 2004

7

RESUMEN: Como para todo embalse, la calidad del agua es una de las cuestiones fundamentales a atender en el embalse de Yacyretá. Interesa tanto un diagnóstico bajo las condiciones actuales de operación como un pronóstico para la situación futura, con el nivel del embalse elevado a la cota final o a valores intermedios, que se correspondan con el plan de llenado final.

Las sustancias contaminantes que llegan hasta las aguas del embalse, ya sean de origen natural o relacionado a la actividad antrópica, son transportadas por las corrientes y difundidas por la turbulencia. Eventualmente, también pueden sufrir reacciones químicas, bioquímicas o biológicas que las transformen. Lo ideal es poder representar adecuadamente cada uno de estos procesos mediante modelos matemáticos, de modo de obtener las respuestas cuantitativas del sistema a esas solicitaciones.

En primer lugar debe modelarse la hidrodinámica, ya que las corrientes son el mecanismo primario de transporte en el embalse. Al mismo tiempo, resulta fundamental determinar si se pueden

producir

estratificaciones

térmicas

y

bajo

qué

condiciones, ya que ello condiciona significativamente la hidrodinámica y también los procesos de transformación. Luego se debe modelar el transporte de los sólidos suspendidos, ya que ellos son uno de los vehículos primarios de transporte de algunos contaminantes con alta capacidad de adsorción. A continuación deben modelarse las reacciones principales para cada contaminante en particular.

El estudio que conforma la presente tesis forma parte de un proyecto que se viene desarrollando de acuerdo a la línea de análisis recién esbozada, a través de la implementación de

8

modelos numéricos que simulan los procesos descritos. En particular, se utilizan modelos hidrodinámicos, hidrotérmicos y de transporte de sedimentos y contaminantes. Cada uno de estos modelos es sometido primero a un proceso de calibración en base a la información de campo disponible. Luego se explotan para producir resultados que contribuyan a la diagnosis y la prognosis de los fenómenos involucrados.

El objetivo final del proyecto es procesar esos resultados de modo de generar información que resulte de utilidad para el tomador de decisiones estratégicas.

Este programa de estudios ha sido acordado con la Entidad Binacional Yacyretá (EBY), a través del Convenio Marco vigente entre la EBY y el INA.

El alcance de la presente tesis se limita al estudio hidrodinámico y de transporte de sólidos en suspensión en el embalse de Yacyretá, utilizando como herramientas los modelos numéricos que se consideran aptos para la simulación de estos fenómenos. Específicamente, se describen la implementación y calibración de los modelos hidrodinámicos y de transporte de sólidos en el embalse, y se analizan y discuten las consecuencias que este nuevo conocimiento agrega tanto en relación a la gestión del embalse como a la implementación de los modelos de transporte de contaminantes.

9

TITULO: Modelos de explotación a corto plazo de centrales hidroeléctricas. APLICACIÓN A LA GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA CON VELOCIDAD VARIABLE. AUTOR: Juan Ignacio Pérez Díaz. PAIS: España. AÑO: 2008 RESUMEN: En esta tesis, se estudia con detalle el problema de planificación de la operación o la explotación a corto plazo de una central hidroeléctrica tomadora de precios que vende su energía en un mercado eléctrico liberalizado y organizado sobre la base de un sistema de ofertas de compra y venta de energía, poniendo un énfasis especial en el caso de las centrales con una capacidad de regulación semanal, diaria o menor, en las que es muy importante tener en cuenta, en el corto plazo, el efecto de la variación del salto, o del volumen. Analizando los modelos de explotación a corto plazo descritos en la bibliografía, se detectan en éstos ciertas limitaciones que pueden resumirse en los siguientes puntos: a) Es frecuente ignorar en los estudios a corto plazo la influencia de la variación del volumen del embalse a lo largo del periodo de explotación. b) Se recurre generalmente a dividir el problema en dos partes o problemas distintos: la asignación óptima de grupos y el despacho económico o de carga de los grupos asignados. En esta tesis, se desarrollan tres modelos de explotación a corto plazo originales, que se basan respectivamente en programación lineal entera mixta, programación no lineal y programación

dinámica.

Los

tres

modelos

resuelven

simultáneamente la asignación y el despacho económico de los grupos de la central y los dos últimos tienen en cuenta el efecto de la variación del salto durante el proceso de optimización,

10

superando así las principales limitaciones de la mayoría de los modelos existentes. Los tres modelos se apoyan en la metodología que se propone en la tesis para obtener la característica de generación de la central, quedando implícitos en la solución de los tres modelos el estado óptimo (arranque/parada) y la potencia que producen todos los grupos de la central. Los tres modelos se apoyan además en una serie de procedimientos iterativos, de modelado y de discretización, algunos de los cuales son originales, y otros se basan parcialmente en procedimientos conocidos. Para comprobar la validez de los modelos, se estudia con éstos la explotación a corto plazo de una central de referencia formada por dos grupos generadores, bajo distintas condiciones de operación. Además del desarrollo de nuevos modelos de explotación a corto plazo, se encuentran entre los objetivos de esta tesis la aplicación de los modelos desarrollados a una central de generación hidroeléctrica con velocidad variable y su utilización como herramienta de apoyo en estudios de rentabilidad de centrales hidroeléctricas. De acuerdo con los objetivos previstos, se describe en la tesis la metodología a seguir para aplicar los modelos desarrollados a una central de velocidad variable y se estudia la explotación a corto plazo de la central de referencia con dos grupos de velocidad variable bajo distintas condiciones de operación, demostrándose que, al permitir que los grupos de la central giren

siempre

a

su

velocidad

óptima,

aumentan

considerablemente: a) El rango de caudales turbinables para cada nivel o volumen de embalse. b) La carrera de embalse aprovechable para producir energía.

11

c) La potencia que produce la central en las mismas condiciones de caudal y salto. d) Los ingresos que recibe la central por vender su energía en el mercado. Cabe destacar que la aplicación de estos modelos a una central de velocidad variable constituye una de las principales aportaciones de esta tesis, ya que no se ha encontrado en la bibliografía ningún modelo de explotación a corto plazo aplicado a una central de este tipo. Por último, se presenta en esta tesis una metodología para estimar, a partir de unas previsiones de aportaciones y de precios horarios, los ingresos anuales que produce una central hidroeléctrica, utilizando los modelos desarrollados. Aplicando esta metodología se obtienen unos resultados más precisos que los que se obtienen en la mayoría de los estudios de rentabilidad consultados, ya que se tienen en cuenta los siguientes aspectos: a) La variación del rendimiento global de la planta en función de las condiciones de operación y del número de grupos que están en funcionamiento. b) La variación horaria de los precios de venta de la energía. c) La capacidad de gestión de la central para maximizar sus ingresos, distribuyendo el agua de la mejor forma posible entre todas las etapas del periodo de estudio, y para maximizar la energía generada en cada etapa, repartiendo de forma óptima el agua asignada entre todos los grupos disponibles. Cabe señalar que toda la tesis se desarrolla bajo un enfoque determinista en lo que se refiere al tratamiento de las aportaciones, los precios y la disponibilidad de los grupos.

12

CAPÍTULO II: MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 ESTUDIO TOPOGRÁFICO 2.1.1. RECONOCIMIENTO

DE

LA

ZONA

Y

ESTUDIO

PRELIMINAR Luego de identificar el lugar adecuado para ubicar la estructura de captación, con visitas al campo, a la quebrada Llopish, y además verificar el recurso hídrico disponible de un caudal de 65 lt/seg. Se procedió a determinar

la ruta

según la topografía desde la

ubicación de la bocatoma, desarenador, canal de conducción cámara de carga, tubería de presión y casa de máquinas.

El lugar más conveniente para el emplazamiento de la captación en una quebrada que será en la parte media de éste, desde el punto de nacimiento hasta su desembocadura en otro cauce mayor, debido a que en este tramo se dispone de características de caudal y caída que aseguran mantener la conducción por gravedad. De acuerdo con este criterio se ubicó la bocatoma sobre la cota 3005 m.s.n.m. que se encuentra en esta parte de la quebrada.

2.1.2. LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO Se llama así al conjunto de operaciones que tiene como objeto la determinación de la posición relativa de puntos en la superficie de la tierra o poca altura sobre la misma, estas operaciones consisten esencialmente, en medir distancias verticales y horizontales entre diversos objetos terrestres, determinar ángulos entre alineaciones (rectas de unión de puntos), hallar la orientación de estas orientaciones y situar puntos sobre el terreno valiéndose de mediciones previas, tanto angulares como lineales.

13

LEVANTAMIENTO

TOPOGRÁFICO

EN

LA

ZONA

DEL

PROYECTO Trabajo De Campo El trabajo de campo realizado para la zona del proyecto se ha seguido teniendo en cuenta las siguientes fases:  Comprobación

y

corrección

de

los

instrumentos

y

preparación cuidadosa de todo el equipo de campo. Para realizar el trabajo de campo se emplearon los siguientes Instrumentos: 

Teodolito Wild W T-20



Nivel Wild T-1



GPS

Herramientas:

Todos



Dos miras.



Winchas de 50mts



Jalones de madera.



Estacas de madera y comba.

estos

instrumentos

y

herramientas

fueron

cuidadosamente revisados, comprobados y corregidos para no tener errores de instrumentos en las observaciones de ángulos y distancias.  Localización y colocación de estacas más o menos permanentes que han de servir de apoyo del trabajo de campo. En la zona del proyecto se localizaron y colaron estacas y otras señales, usadas en lugares adecuados para llevar acabo el levantamiento

topográfico de la red de toda el área que

comprende la zona del proyecto teniendo en cuenta la mejor

14

ubicación de las estructuras que conforman nuestro proyecto hidráulico.  Determinación planimetría (sobre plano horizontal), de objetos o puntos por medio de observación de ángulos y distancias.

Para la planimetría se realizó mediante una triangulación topográfica de III orden (precisión suficiente para nuestro estudio), para levantar toda la zona del proyecto en la cual serán ubicadas las estructuras hidráulicas, considerado puntos como vértices de la triangulación y la medida de los ángulos correspondientes a los triángulos, medidos con un teodolito Wild W T-20, el cual se puso una estación en cada vértice de la red fundamental o esqueleto del levantamiento, así teniendo un esquema horizontal.  Determinación altimétrica (nivelación) de objetos y puntos mediante el método de nivelación

Se procedió hacer el levantamiento altimétrico, utilizando el altímetro, Nivel Wild T-1 y dos miras, teniendo en cuenta que el BM más próximo a la zona del levantamiento se encuentra ubicado en el Distrito de Corongo, con el uso del altímetro se trasladó el BM a un punto de la zona de dicho levantamiento siendo este el punto de inicio de la nivelación, los puntos a nivelar fueron los mismos que se usaron para el levantamiento planimétrico, obteniendo las alturas de dicho puntos formando así un esquema vertical.

15

 Registro de todas las observaciones hechas al aire libre mediante la libreta de campo

Todas las observaciones y medidas realizadas a través de los instrumentos en los levantamientos altimétricos y planimétricos fueron registradas en la libreta de campo con sus respectivos croquis según los avances desde el inicio hasta el final de la zona levantada obteniendo así el esquema general de las obras que conformaran el proyecto hidráulico (Bocatoma, Canal y obras complementarias).  Trabajo de Gabinete El trabajo de gabinete comprende toda la recopilación y procesamiento de datos obtenidos del trabajo de campo tanto del levantamiento planimétrico y altimétrico de la zona del proyecto se utilizó una hoja de cálculo en Excel obteniéndose resultados de cotas, distancias horizontales y verticales de los puntos tomados a lo largo del lugar en estudio.

Para

poder

elaborar

la

configuración

del

terreno

y

posteriormente materializarlo mediante un respectivo plano se usó el programa de topografía (AUTOCAD LAN ) y hojas de cálculo de Excel, los cuales resultaron una herramienta eficaz frente al objetivo planteado.

Los planos producidos son: Plano del Levantamiento Topográfico de la zona Plano de Perfil Longitudinal Plano de Secciones Transversales del Canal.

16

DATOS DE LIBRETA DE CAMPO A continuación se indican parte de los datos de campo anotados en la libreta de campo. CUADRO N° 02: DATOS TOPOGRÁFICOS Angulo Horizontal V

AnguloP Vertical

Distancia

Alfa

BM1 Bocatoma

1

00º 00’ 10’’

98º 52’ 30’’

25.50

- 08º 52’ 30’’

2

321º 17’ 50’’

105º 29’ 20’’

14.50

- 15º 29’ 20’’

3

293º 01’ 30’’

93º 07’ 10’’

60.10

- 03º 07’ 10’’

4

291º 50’ 30’’

93º 20’ 40’’

60.20

- 03º 20’ 40’’

5

291º 29’ 50’’

92º 53’ 30’’

54.00

- 02º 53’ 30’’

6

293º 41’ 20’’

92º 59’ 30’’

53.90

- 02º 59’ 30’’

7

290º 30’ 00’’

93º 07’ 30’’

49.50

- 03º 07’ 30’’

8

293º 14’ 30’’

93º 28’ 10’’

49.00

- 03º 28’ 10’’

9

294º 32’ 30’’

92º 36’ 40’’

49.50

- 02º 36’ 40’’

10

296º 47’ 00’’

89º 48’ 40’’

48.90

00º 11’ 20’’

11

302º 14’ 20’’

89º 37’ 40’’

48.00

00º 22’ 20’’

12

306º 52’ 50’’

89º 18’ 40’’

49.20

00º 41’ 20’’

13

307º 29’ 10’’

89º 33’ 30’’

51.10

00º 26’ 30’’

14

307º 14’ 10’’

86º 35’ 10’’

54.50

03º 24’ 50’’

15

304º 33’ 20’’

86º 06’ 50’’

51.50

03º 53’ 10’’

16

302º 16’ 00’’

83º 45’ 50’’

51.80

06º 14’ 10’’

17

298º 03’ 30’’

81º 18’ 30’’

55.60

08º 41’ 30’’

18

303º 51’ 50’’

81º 07’ 50’’

57.50

08º 52’ 10’’

19

312º 23’ 40’’

81º 07’ 30’’

60.00

08º 52’ 30’’

20

293º 34’ 00’’

86º 22’ 20’’

75.85

03º 37’ 40’’

21

292º 00’ 00’’

86º 14’ 50’’

75.00

03º 45’ 10’’

22

291º 08’ 10’’

85º 39’ 00’’

77.10

04º 21’ 00’’

23

292º 55’ 00’’

86º 33’ 10’’

70.10

03º 26’ 50’’

24

291º 13’ 10’’

86º 33’ 40’’

68.20

03º 26’ 20’’

25

292º 56’ 00’’

82º 32’ 00’’

64.15

07º 28’ 00’’

26

291º 13’ 10’’

85º 47’ 00’’

64.00

04º 13’ 00’’

27

294º 04’ 30’’

84º 49’ 40’’

65.00

05º 10’ 20’’

28

296º 08’ 04’’

82º 53’ 40’’

61.00

07º 06’ 20’’

29

290º 01’ 10’’

81º 29’ 40’’

58.00

08º 30’ 20’’

30

285º 16’ 20’’

78º 38’ 10’’

54.50

11º 21’ 50’’

17

31

289º 12’ 40’’

80º 15’ 30’’

49.00

09º 44’ 30’’

32

283º 21’ 30’’

77º 30’ 10’’

47.00

12º 29’ 50’’

33

286º 05’ 40’’

79º 58’ 00’’

43.30

10º 02’ 00’’

34

280º 23’ 30’’

76º 46’ 50’’

41.80

13º 13’ 10’’

35

286º 24’ 20’’

83º 06’ 40’’

39.50

06º 53’ 20’’

36

282º 38’ 10’’

82º 30’ 30’’

35.50

07º 29’ 30’’

37

273º 57’ 50’’

77º 28’ 50’’

39.00

12º 31’ 10’’

38

278º 40’ 30’’

78º 19’ 10’’

31.10

11º 40’ 50’’

39

268º 54’ 10’’

40

264º 26’ 50’’

83º 45’ 10’’

27.80

06º 14’ 50’’

41

256º 07’ 50’’

86º 36’ 30’’

22.10

03º 23’ 30’’

42

258º 54’ 40’’

91º 25’ 00’’

21.60

- 01º 25’ 00’’

43

254º 48’ 20’’

90º 50’ 20’’

19.00

- 00º 50’ 20’’

Desarenador 44

288º 27’ 40’’

93º 31’ 20’’

44.50

- 03º 31’ 20’’

45

291º 32’ 10’’

94º 10’ 50’’

43.30

- 04º 10’ 50’’

46

286º 21’ 20’’

94º 42’ 40’’

37.80

- 04º 42’ 40’’

47

284º 47’ 20’’

94º 51’ 50’’

34.00

- 04º 51’ 50’’

48

284º 36’ 50’’

93º 52’ 50’’

33.50

- 03º 52’ 50’’

49

277º 30’ 10’’

94º 58’ 50’’

26.20

- 04º 58’ 50’’

50

275º 35’ 50’’

96º 16’ 00’’

21.90

- 06º 16’ 00’’

51

259º 53’ 50’’

98º 49’ 20’’

15.00

- 08º 49’ 20’’

52

250º 46’ 40’’

100º 18’ 50’’

13.10

- 10º 18’ 50’’

53

219º 47’ 20’’

101º 55’ 50’’

10.90

- 11º 55’ 50’’

54

186º 14’ 40’’

100º 25’ 30’’

12.30

- 10º 25’ 30’’

55

151º 39’ 10’’

96º 00’ 00’’

20.20

- 06º 00’ 00’’

56

137º 05’ 10’’

94º 12’ 10’’

30.00

- 04º 12’ 10’’

57

314º 33’ 00’’

88º 08’ 30’’

55.10

01º 51’ 30’’

58

308º 15’ 20’’

90º 13’ 10’’

54.00

- 00º 13’ 10’’

59

315º 54’ 20’’

92º 38’ 40’’

42.00

- 02º 38’ 40’’

60

304º 57’ 20’’

93º 18’ 10’’

39.20

- 03º 18’ 10’’

61

296º 49’ 10’’

94º 21’ 10’’

36.00

- 04º 21’ 10’’

62

288º 23’ 40’’

95º 42’ 40’’

33.00

- 05º 42’ 40’’

63

282º 23’ 00’’

94º 55’ 40’’

28.00

- 04º 55’ 40’’

64

296º 57’ 00’’

98º 37’ 20’’

26.50

- 08º 37’ 20’’

65

321º 38’ 40’’

94º 01’ 30’’

36.50

- 04º 01’ 30’’

66

340º 24’ 30’’

92º 54’ 20’’

36.00

- 02º 54’ 20’’

78º 15’ 00’’

31.20

11º 45’ 00’’

Canal

Canal

18

Tubería

67

02º 16’ 40’’

98º 43’ 20’’

28.20

- 08º 43’ 20’’

68

334º 44’ 50’’

102º 11’ 20’’

19.00

- 12º 11’ 20’’

69

301º 07’ 10’’

105º 48’ 20’’

17.80

- 15º 48’ 20’’

70

274º 52’ 10’’

95º 10’ 00’’

17.20

- 05º 10’ 00’’

71

246º 18’ 40’’

90º 07’ 40’’

17.10

- 00º 07’ 40’’

72

232º 26’ 30’’

82º 22’ 10’’

16.40

07º 37’ 50’’

73

218º 29’ 20’’

75º 23’ 50’’

19.00

14º 36’ 10’’

74

204º 37’ 30’’

71º 31’ 30’’

25.50

18º 28’ 30’’

75

185º 17’ 30’’

75º 03’ 10’’

23.50

14º 56’ 50’’

76

149º 09’ 00’’

88º 52’ 10’’

26.50

01º 07’ 50’’

77

144º 50’ 30’’

87º 38’ 50’’

36.50

02º 21’ 10’’

78

128º 12’ 40’’

105º 59’ 20’’

18.00

- 15º 59’ 20’’

79

96º 04’ 00’’

115º 31’ 00’’

18.00

- 25º 31’ 00’’

80

63º 01’ 40’’

109º 21’ 40’’

22.50

- 19º 21’ 40’’

81

38º 46’ 40’’

111º 09’ 40’’

31.10

- 21º 09’ 40’’

82

25º 44’ 50’’

107º 56’ 50’’

42.50

- 17º 56’ 50’’

83

13º 19’ 10’’

102º 07’ 30’’

46.00

- 12º 07’ 30’’

84

359º 11’ 30’’

100º 09’ 00’’

36.00

- 10º 09’ 00’’

85

358º 22’ 20’’

108º 10’ 00’’

19.20

- 18º 10’ 00’’

86

314º 28’ 10’’

110º 12’ 50’’

13.00

- 20º 12’ 50’’

87

304º 42’ 10’’

93º 54’ 00’’

35.00

- 03º 54’ 00’’

88

302º 44’ 10’’

93º 30’ 30’’

35.80

- 03º 30’ 30’’

89

275º 33’ 30’’

107º 23’ 50’’

10.50

- 17º 23’ 50’’

90

338º 45’ 20’’

83º 21’ 50’’

06º 38’ 10’’

91

338º 21’ 40’’

70º 51’ 30’’

19º 08’ 30’’

Presión

19

2.2 MECÁNICA DE SUELOS Calicatas Para Muestreo Se han efectuado 4 sondajes o calicatas a cielo abierto en la zona del proyecto, cuyo material obtenido ha sido llevado al laboratorio para efectuar los ensayos correspondientes.

Estas calicatas han sido repartidas para obtener el perfil estratigráfico donde se ubicara el barraje y el disipador de energía, las características de las calicatas se describen a continuación.

RESULTADOS DE LOS ENSAYOS CALICATA C-1 Profundidad.- 0.00m a 0.40m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 1.50% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 81.14%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 29.04%, su Limite Plástico es 18.01%, y su Índice Plástico es 11.03%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-6 (16)

:

CL

Profundidad.- 0.40m a 1.20m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 35.09% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 2.91%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 20.14%, su Limite Plástico es N.P, y su Índice Plástico es N.P. Clasificación de Suelos.-

20

Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-1-a (0)

:

SP

Profundidad.- 1.20m a 1.50m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 1.81% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 64.71%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 30.70%, su Limite Plástico es 21.49%, y su Índice Plástico es 9.21%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-4 (6)

:

CL

CALICATA C-2 Profundidad.- 0.00m a 1.50m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 6.77% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 51.45%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 31.08%, su Limite Plástico es 19.58%, y su Índice Plástico es 11.50%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-6 (4)

:

CL

CALICATA C-3 Profundidad.- 0.00m a 0.50m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 7.64% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 36.54%.

21

Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 29.71%, su Limite Plástico es 19.56%, y su Indice Plástico es 10.15%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-4 (0)

:

SC

Profundidad.- 0.50m a 1.50m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 25.00% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 24.33%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 22.50%, su Limite Plástico es 14.92%, y su Índice Plástico es 7.58%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-2-4 (0)

:

SC

CALICATA C-4 Profundidad.- 0.00m a 0.50m Análisis Granulométrico.- El porcentaje de grava que retiene en la malla N° 4 es de 32.37% y el porcentaje de fino que pasa por la malla N° 200 es igual a 29.26%. Limites de Consistencia.- De acuerdo a los límites de consistencia su Limite Liquido es igual a 25.86%, su Limite Plástico es 14.93%, y su Indice Plástico es 10.93%. Clasificación de Suelos.Clasificación Unificada SUCS

:

AASHTO

A-2-6 (0)

:

22

SC

Clasificación del Tipo de Suelos Las muestras analizadas han sido analizadas mediante el método (SUCS) sistema unificado de clasificación de suelos. El tipo de suelo en el lecho de la quebrada conformado en su mayoría

por

material

grueso,

encontrándose

partículas

diversas, tales como: guijarros, gravas, arena y algunos finos tales como limos, se constituye que en el lecho del río de estudio donde se ha de cimentar la estructura se ha clasificado el tipo de suelo.

Perfil Estratigráfico El análisis del perfil estratigráfico nos deduce que el lugar de la cimentación está constituido por suelos aluviales poco profundos y roca firme alterada a diferentes grados de meteorización y pérdida de resistencia, en la que se ha realizado

pruebas

de

compresión

simple

sin

confinar

alcanzando valores promedios de 486 Kg. /cm 2 con un ángulo de fricción interna de 55° en rotura vítrea, con una cohesión de 224 Kg. /cm2.

23

24

RESULTADOS Capacidad de Carga en Rocas

qa  J  C  N C Donde:

J = 5.000

(Parámetro adimensional en función

de la geometría de cimentación). C(kg / cm 2 )  2.240

Nc = 0.540

(Parámetro adimensional en función

del ángulo de fricción) Reemplazamos:

25

qa (Kg / cm 2 )  6.040

Capacidad de Carga en Escombros

qa  2.15NC W

Donde: Suelo

:

Grava Limosa Uniforme

N

:

7 (Número de Golpes SPT)

Cw

:

1

=

1”

(Corrección

por

humedad) St (cm.)

(Asentamiento

inmediato)

Remplazamos: qa (Ton / m 2 )  15.05

2.3 ESTUDIO HIDROLÓGICOS DE LA MICROCUENCA 2.3.1. ANALISIS HIDROLOGICO El estudio hidrológico es un medio importante, que nos permite obtener una información adecuada que nos garantice a largo plazo el abastecimiento de agua, captadas por la bocatoma y llevadas mediante el canal para la mini central hidroeléctrica.

Con este estudio conoceremos la hidrología de la microcuenca y la frecuencia con que los eventos hidrológicos se producen en ella.

2.3.2. DELIMITACIÓN Y PLANIMETRADO La delimitación de la micro cuenca se realiza sobre un plano a curvas de nivel. Se traza la línea divisoria rodeando el sistema de la quebrada con todos sus afluentes obteniéndose la superficie total dentro de la cual todas

26

las

aguas originadas por la

precipitación confluyen hacia la quebrada llamándose a esta superficie o cuenca hidrográfica superficie de a quebrada.

Se siguen las líneas divisorias de las aguas teniendo en cuenta que las líneas de flujo son perpendiculares a las curvas de nivel del terreno y hasta un punto del curso de la quebrada que sirva de emisor de las aguas que caen en la cuenca.

Seguidamente auxiliados por el planímetro, medimos el área de recepción que se presenta en hectáreas cuando la cuenca es pequeña y en kilómetros cuando la cuenca es mayor.

2.3.3. CARACTERIZACIÓN Una cuenca se caracteriza por una serie de parámetros físicosgeomorfológicos que definen su comportamiento hidrológico. Estos parámetros a su vez dependen de su estructura geológica de la cuenca, el relieve del terreno, el clima, el tipo de suelo, la vegetación y de la acción del hombre en el medio ambiente de la cuenca.

2.3.4. CARACTERÍSTICAS GEOMORFOLÓGICAS El conocimiento fisiográfico de una cuenca nos permite establecer semejanzas o diferencias de las cuencas dentro de un sistema hidrográfico, que facilita su estudio y aprovechamiento aplicando métodos, fórmulas hidrológicas más simplificadas y generalizadas para determinar su potencial hídrico, control y manejo de la cuenca.

27

CARACTERISTICAS FISICAS

ÁREA DE LA CUENCA Es el área en planta o área de la proyección horizontal de la cuenca. Normalmente se expresa en hectáreas si la cuenca es pequeña o en Km2 si la cuenca es mayor.

El área de la cuenca es el principal parámetro de referencia en la hidrología, ya que está directamente relacionado con la superficie de captación de la lluvia. El área de la cuenca se obtiene planimetrando la superficie encerrada por la línea divisoria de las aguas.

El área de la microcuenca de la quebrada abarca una extensión de: AC = 126.45 Km2

PERÍMETRO DE LA CUENCA Corresponde a la longitud de la divisoria de aguas. El perímetro de la cuenca ha de tener influencia en el “tiempo de concentración” de ésta, que es el tiempo necesario para que una gota que cae en el punto más alejado de la cuenca alcance el punto de evacuación.

Se obtiene midiendo con el curvímetro y cuyo valor es:

PC = 62.15 Km.

LONGITUD MAYOR Es el mayor recorrido que realiza la quebrada desde la cabecera de la cuenca hasta un punto fijo, que podría ser una

estación

de

aforos.

28

Es

el

mayor

cauce

longitudinalmente, medido desde su nacimiento hasta bocatoma. La longitud de la quebrada es:

L = 13.42 Km.

ÍNDICE DE COMPACIDAD DE GRAVELIUS Expresa la influencia del contorno y área de una cuenca en la escorrentía, particularmente en las características del hidrograma. Para una misma superficie (cuenca) y para un miso aguacero, el hidrograma en la salida (exutorio) de una cuenca de forma muy concentrada será muy diferente al de una cuenca muy alargada.

Esto nos lleva a tener que definir índice de forma de una cuenca. Una cuenca vertiente está definida por su contorno, que tiene una cierta forma y encierra un área. Dos cuencas de igual área no se comportan igual, para darse una idea de esto, imaginemos otra cuenca de igual área pero mucho más alargada.

Entonces el tiempo de concentración puede variar mucho más de una a otra (Tiempo de concentración es el tiempo que tarda en llegar, a la sección de desagüe considerada, una gota de agua que inicia su recorrido en el punto más alejado de la cuenca).

Entonces en una cuenca rectangular alargada la distancia a recorrer es mayor que una circular de la misma área. El índice de compacidad de Gravelius es igual a la relación:

29

Kc = 0.28 (P/A 0.5) Dónde: P

:

Perímetro de la cuenca (Km.)=62.15

A

:

Área de la Cuenca (Km2)=126.45

Entonces:

Kc = 1.54

Sí: Kc. = 1:

la cuenca se aproxima a la forma circular

Kc. > 1:

La cuenca es irregular respecto al círculo

Cuando mayor sea su valor, mayor será el tiempo de concentración (Tc) donde su valor indica la susceptibilidad de la cuenca a las inundaciones, una cuenca cuyo kc es mayor que uno, en el caso de la microcuenca en estudio cuyo Kc = 1.54 se puede decir que la cuenca es alargada el Tc es mayor, por lo que la cuenca estudiada tiene pocas probabilidades de sufrir inundaciones, salvo es el caso de grades avenidas.

PERFIL LONGITUDINAL El desplazamiento de los ríos se realiza en distintas condiciones físicas y geográficas lo que le obliga a modificar su cauce en los sentidos transversal y longitudinal. En sentido longitudinal los ríos tienden a adoptar un perfil que tiene la forma de una hipérbola.

Este se llama normal o de equilibrio porque teóricamente corresponde a uno en el cual toda la energía del agua se consume en vencer el rozamiento y en transportar los sedimentos sin que se produzca ya ningún cambio en el cauce.

30

El perfil del curso principal de la cuenca es muy importante, pues nos permite ubicar las diferentes obras de control, captación, derivación de sus aguas así coma la ubicación de posibles bocatomas como es el de nuestro caso.

El perfil longitudinal de un río, es un gráfico confeccionado sobre un sistema de ejes cartesianos, donde en el eje “X” se grafica la longitud

del río, y en el eje “Y” las cotas

correspondiente a escala conveniente.

Generalmente se acostumbra a kilometrar a los ríos desde su

desembocadura

hacia

aguas

arriba.

Para

la

determinación del perfil longitudinal del río la cuesta, se toma el plano topográfico de La cuenca (Escala 1:100.000) de donde se toma las longitudes con un curvímetro, las cuales fueran graficadas con sus respectivas cotas.

La determinación de la hidrología de una cuenca requiere el conocimiento de los fenómenos meteorológicos que en ella ocurren, de su climatología, su geomorfología y su topografía.

Dentro del concepto de conservación de una cuenca, el estudió de la ordenación consiste básicamente en la planificación de su mejoramiento, protección y conservación, lo cual se puede conseguir mediante las técnicas de la hidrología aplicada.

El curso de la quebrada discurre sobre un lecho poco pedregoso y de una rugosidad aproximada de 0.045 a 0.050 según Manning, que crean una turbulencia y dificultad en el uso de correntómetros, o en el mejor de los casos daría

31

velocidades medias dudosas, por lo que en este caso se pensó emplear otros métodos para determinar el caudal de diseño de la bocatoma.

INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DISPONIBLE Estos centros poblados son beneficiados por la Naturaleza, la parte alta tiene una cuenca importante de cuya área escurre el agua que conduce la quebrada no ha sido objeto de estudio, para fines energéticos. En la zona no existe estación Hidrológica, solo existe una estación pluviométrica en Huaraz, pero que no es influyente en la cuenca en estudio de la quebrada, tampoco existen documentos de aforos y estudios de la cuenca específicamente para esta quebrada, por lo que para evaluar el recurso se ha seguido procedimiento del método de vertedero estandarizado: Figura:

aforo

aplicando

el

método

del

vertedero

estandarizado.

Esta actividad realizada para evaluar el caudal, para ello se desvió las aguas de la quebrada al canal existente toda su capacidad teniendo en cuenta las limitaciones del barraje temporal construido con material de la zona.

32

Arrojando un aforo promedio de Q = 65 l/s. Así mismo se ha evaluado el caudal máximo para el diseño de las estructura de la bocatoma en avenida Qmax.= 1.95 m3/seg. Con información proporcionada de por lo pobladores y el área del cauce de la quebrada
Los recursos energéticos existentes están por encima de la demanda proyectada para los Centros poblados, por lo que se ha considerado aprovechar lo suficiente para cubrir las necesidades, de esta manera nuestra planta tenga un tamaño acorde a las necesidades, de los cálculos efectuados es suficiente utilizar Q = 65 l/s.

2.4 DEFINICIÓN Y PRONÓSTICO DE MERCADO ELÉCTRICO El estudio del mercado eléctrico, mediante el análisis y previsión de la demanda, constituye uno de los aspectos fundamentales de la planificación eléctrica, ya que sus resultados determinan la magnitud y secuencia de ejecución de los proyectos para el equipamiento y construcción de centrales eléctricas e instalación de redes eléctricas.

Existen muchas metodologías para definir la demanda y el pronóstico de un determinado mercado eléctrico. En el presente proyecto se realizó encuesta a la población para poder evaluar la manera que utilizan los recursos energéticos para satisfacer las mínimas necesidades de iluminación como una forma de atenuar la 33

carencia de energía eléctrica, panorama típico de muchas localidades alejadas de las zonas urbanas de nuestra serranía. Luego se ha empleado la metodología desarrollada por la MOMENCO para determinar su proyección para un periodo de 20 años.

2.4.1. INFORMACIÓN DE POBLACIÓN Y VIVIENDA

La información de la población y vivienda de las localidades que conforman nuestro proyecto fue obtenida

por un conteo de

viviendas habitables para el año 2013, considerando 6 hab. por vivienda.

CUADRO Nº 03: NUMERO DE HABITANTES/VIVIENDAS C.P. LLOPISH CASERÍO

Nº HABITANTES

VIV. PARTICULARES

Centro Poblado de

436

73

Llopish

Así mismo se obtuvo información de población y vivienda del censo del año 1981, 1993, 2007, pero, para nuestro propósito no lo mostramos por que se encuentran globalizados a nivel de provincia de Corongo. Por lo tanto, la tasa de crecimiento poblacional no puede ser posible determinarla empleando información de censos.

La Oficina de Asesoría Técnica de la Gerencia Sub Regional de la provincia de Corongo ha determinado una tasa de crecimiento (i) de 2.6% anual para los distintos centros poblados que se encuentran en su jurisdicción, la cual la tomaremos para fines de proyección de nuestro mercado eléctrico.

34

El índice de habitantes por vivienda (IHV) se determina a partir del censo del año 2007

 329  IHV    6.09  6.0  54  2.4.2. CONSUMO ACTUAL DE RECURSOS ENERGÉTICOS

Con la finalidad de determinar las costumbres, modo de vida, artefactos eléctricos que se usan, combustibles empleados, expectativas con la energía eléctrica, etc. Se realizó una entrevista a la población y producto de ello se ha elaborado cuadros y resúmenes tal como se verá posteriormente.

El manual de mini y micro centrales del INTERMEDIATE TECHNOLOGY DEVELOPMENT GROUP (ITDG-PERÚ) da una serie de pautas y preguntas relacionadas sobre esta entrevista a las cuales la población respondió con gran entusiasmo.

Estas interrogantes se muestran en la Cuadro Nº 04. CUADRO N°04: PREGUNTAS DE CONTROL DE LA ENTREVISTA 1. ¿Qué familia es? 2. Número de integrantes de la familia: hombres, mujeres, niños; sus edades. 3. En que se desempeñan los miembros del hogar, horario de trabajo de cada uno y si cuentan con: - Cabezas de ganado, ¿Cuantos? - Hectáreas de terreno, ¿Cuantas? - ¿Tipos de herramientas? - Alambiques.

35

4. ¿Cómo adquieren sus alimentos, autoabastecimiento o de otra zona? 5. ¿Qué ambientes tiene su hogar? ¿Pondría un foco o un fluorescente a cada ambiente? 6. ¿Cuánto es su ingreso promedio mensual? 7. ¿Posee Ud. Artefactos eléctricos?, ¿Cuáles? 7.1 Si no es así, ¿Sabe su costo? 7.2 ¿De qué otra manera utilizaría la energía eléctrica? 8. Ya con energía eléctrica, ¿Qué artefactos compraría

de

inmediato, o esperaría algún tiempo (meses, años)? 9. ¿Le causaría problemas conseguir el dinero para comprarlos? 9.1 ¿En qué horas utilizaría la luz? 10. Actualmente, ¿Qué tipos de combustibles emplean y cuanto gastan mensualmente en iluminación? - Velas: - Kerosene: - Pilas: - Petróleo: - Otros: 11. ¿Cuánto podría pagar mensualmente por suministro de electricidad, lo suficiente como para una TV / radio e iluminación de sus ambientes? 12. ¿Estaría dispuesto a apoyar con mano de obra o materiales en la ejecución del proyecto?

De esta entrevista que se realizó en las localidades del Distrito de Corongo, se deduce que los pobladores tienen costumbres y modos de vida similares, y en lo que se refiere a la posesión de artefactos eléctricos se ha elaborado el cuadro siguiente a la pregunta Nº 7 de la tabla anterior.

36

en base

CUADRO Nº 05: ARTEFACTOS ELÉCTRICOS DE MAYOR USO Radiograbadora (30w)

13.6%

Radio (7w)

55.6%

Otros (30w)

3.7%

No tiene / malogrados

27.1%

Cada familia cuenta al menos con una lámpara de mano que lo seguirá utilizando, incluso, contando con el servicio eléctrico, pues lo emplean mucho para sus faenas agrícolas, nocturnas y rondas. Por otro lado, con respecto a los tipos de combustibles y el uso de pilas secas para sus receptores y lámparas de mano con su consiguiente costo (pregunta Nº 10), Tenemos que un poblador promedio realiza mensualmente las siguientes adquisiciones: CUADRO Nº 06: COSTO DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS EMPLEADOS PARA ILUMINACIÓN ITEM

CANT. MENSUAL

COSTO S/.

Kerosene para lámpara

04 botellas

10

Velas

01 Paquete

2.5

Pilas

02 Pares

9.00

TOTAL S/.

21.50

Costos unitarios -

01 botella de Kerosene ------------- S/. 2.50

-

01 Paquete de Velas

------------- S/. 2.50

-

01 Par de Pilas

------------- S/. 4.5

37

Como se observa, es el kerosene el combustible más importante para estos caseríos utilizado para iluminación en los hogares.

Algunos pobladores están de acuerdo en pagar la cantidad mensual que gastan usando combustible, pero, la mayor parte de ellos prefieren pagar lo que indicaría el medidor (Pregunta Nº 11).

También se indagó lo que sucedería en el primer año de servicio eléctrico (Pregunta Nº 8) en donde el 75% dijo que durante ese tiempo comprarían

un TV. e iluminarían los ambientes de sus

hogares; Con respecto a esta última parte se ha elaborado el siguiente cuadro:

CUADRO Nº 07: ARTEFACTOS DE ILUMINACIÓN DURANTE EL PRIMER AÑO DE SERVICIO ELÉCTRICO LÁMPARAS

Se

PREFERENCIAS

Incandescentes (focos 100w)

73%

Fluorescentes (20w)

17%

Ambos

10%

observa

claramente

la

preferencia

por

las

lámparas

incandescentes debido a su costo y, obviamente, por la falta de información sobre ahorro de energía de la mayoría de la población, solo el 17% de ellos saben lo que es ahorrar empleando fluorescentes- se incluyen a los que prefieren por su iluminación, porque cuentan con una residencia en la ciudad de Corongo, el 10% prefieren un sistema combinado aunque se notó la inclinación por los primeros. Resumiendo, en el transcurso del primer año de servicio eléctrico cada abonado contará en promedio con:

38

- Un TV

: 100 w.

- Una Radio / Grabadora : 30 w. - 2 focos

: 200 w. 330 w.

Por otro lado, las cargas especiales están representadas por los colegios iniciales, primarios, los templos y la posta médica. Estas últimas estarán equipadas con planchas eléctricas, congeladoras, esterilizadores, ollas eléctricas, TV y VHS. Que serían enviadas de inmediato por la Subregión.

2.4.3. PRONÓSTICO DE LA DEMANDA ELÉCTRICA

2.4.3.1.

PRONÓSTICO DE LA POBLACIÓN

El pronóstico de la población es de tipo exponencial con tasa de crecimiento constante para el período de estudio.

P  P0(1  i) n 2.4.3.2.

PRONÓSTICO DEL NÚMERO DE VIVIENDAS

Se define el número de viviendas por la relación entre el número de habitantes y el índice de habitantes por vivienda (IHV). Este valor es dato del último censo y se adoptó igual 6.00 y es mantenido constante durante el período de estudio.

2.4.3.3.

PRONÓSTICO DE ABONADOS DOMÉSTICOS

Se determina multiplicando el número de viviendas por el coeficiente de electrificación (C.E.), el cual se define como la relación entre el número de familias electrificadas y el total de familias.

39

2.4.3.4.

C.E. = 0.4 ~ 0.5

para 0  n  10 años.

C.E. = 0.5 ~ 0.7

para 10  n  24 años.

PRONÓSTICO DE ABONADOS COMERCIALES

Se obtiene evaluando el índice de abonados comerciales (I.A.C.), el cual se define como la relación entre el número de abonados domésticos y el número de abonados comerciales. Este índice nos indica el número de usuarios domésticos por cada establecimiento comercial.

Para nuestro caso, donde los centros poblados no cuenten con el servicio eléctrico se toma lo recomendado. para 0  n  5 años

I.A.C. = 13 I.A.C. = 13 ~ 7

para 5  n  10 años

I.A.C. = 7

para 10  n  20 años

2.4.3.5.

PRONÓSTICO

DE

CONSUMO

DOMÉSTICO

Y

ALUMBRADO PÚBLICO (CDAP) Se define multiplicando el consumo unitario doméstico y alumbrado público (CUDAP) por el número de abonados domésticos.

La DGE ha elaborado unas curvas de CUDAP en función al dato histórico estadístico de consumo de energía, pero la zona n estudio no cuenta con ésta información, la elección de la curva se hace teniendo en cuenta las posibilidades de desarrollo zonal.

Tomando en cuenta este criterio, en el cual las futuras cargas se encuentran en zonas pobres con bajo desarrollo sustentado, se decide emplear la curva RN2 de la lámina Nº 04, cuya ecuación es:

40

Y  88.1418 X 0.2716 Donde: Y = CUDAP (Kwh). X = Abonados Domésticos

2.4.3.6.

PRONÓSTICO DE CONSUMO COMERCIAL (CC)

Si multiplicamos el Consumo Unitario Comercial (CUC) por el número de abonados comerciales obtenemos el consumo neto de energía eléctrica del sector comercial.

El Consumo Unitario Comercial se determina a partir del índice del Consumo Comercial (ICC), el que se define como la relación entre el CUC y el CUDAP. El ICC nos indica cuanto consume un abonado comercial respecto al consumo doméstico y alumbrado público, que para pequeños centros sin servicio toma los siguientes valores: para 0  n  20 años.

C.C = 0.8

2.4.3.7.

PRONÓSTICO DE CONSUMO INDUSTRIAL (C.I)

Para poblaciones  5000 habitantes al año de referencia y sin servicio eléctrico, el consumo industrial se estima con el siguiente criterio:

C.I  10%(CDAP  CC )

2.4.3.8.

PRONÓSTICO

DE

CONSUMO

DE

CARGAS

ESPECIALES (C. Esp.) La metodología empleada en esta proyección no considera a las cargas especiales, sin embargo hacemos la inclusión de tal 41

consumo que existirá en la zona del proyecto de acuerdo a lo indicado anteriormente en la encuesta que realizamos. Se estima:

Cesp.  3%(CDAP  C.C ) 2.4.3.9.

PRONÓSTICO DEL CONSUMO TOTAL (C.T)

Resulta de sumar los consumos de los diferentes sectores agregándose las pérdidas de energía (K) por producción, transformación y transporte. Estas pérdidas a nivel de distribución se estiman como un porcentaje del consumo neto total, considerándose 20% en el año inicial y 15% en el año final de la proyección con decrecimiento lineal.

Consumo Total:

CT  K[CDAP  CC  CI  Cesp.] 2.4.3.10. PRONÓSTICO DE LA MÁXIMA DEMANDA La máxima demanda se obtiene a partir del consumo total de energía y la estimación del factor de carga f.c. Basado en la duración de la prestación diaria del servicio y la importancia relativa de la localidad.

MD 

CT f .Cx8760

De las encuestas de campo se ha determinado que los pobladores utilizarán el servicio eléctrico mayormente durante la noche (6:00 p.m. a 10:00 p.m.) después de efectuar sus labores agrícolas, por lo que inicialmente el factor de carga será bajo.

42

Sin embargo, el hecho que la población cuente con energía eléctrica las 24 horas del día es razón suficiente para aumentar las horas de utilización incrementándose la demanda tanto de origen

doméstico,

comercial,

cargas

especiales

como

probablemente en algunos alambiques de la zona se instalen los primeros trapiches movidos por motores eléctricos, en reemplazo a las tradicionales yuntas, para la producción del aguardiente.

Bajo estas consideraciones se adopta que el factor de carga anual varíe linealmente de 0.25 a 0.35 en el último año, durante el período de análisis. f.c = 0.25 ~ 0.35para 1  n  20 años.

2.4.3.11. RESUMEN DE LA PROYECCIÓN DE LA DEMANDA El resumen de la proyección de la demanda eléctrica se muestra en el capítulo de resultados el mismo que ha sido efectuado para cada dos años del período de estudio considerado.

2.5 RECONOCIMIENTO DE LA ZONA Y ESTUDIO PRELIMINAR Luego de identificar, con visitas al campo, a la quebrada, como la fuente hídrica disponible con un caudal de 65 lt/seg, se procedió a determinar el salto aprovechable en la zona de Llopish y así poder dimensionar el potencial hidroenergético local existente para

el

abastecimiento de energía y electrificación del medio rural.

El lugar más conveniente para el emplazamiento de la captación en la quebrada será en la parte media de éste, desde el punto de nacimiento hasta su desembocadura en otro mayor, debido a que en este tramo se dispone de características de caudal y caída que aseguran valores máximos de potencia. 43

En general el lugar presenta abundante vegetación porque atenúa la acción erosiva de las aguas pluviales en las laderas. Así mismo se ha observado corrimientos de tierra, tal como lo aseguran los moradores de la zona, de modo que la seguridad física de las obras podría verse afectada, pero para que no ocurra esto se ha visto conveniente diseñar una tubería de baja presión para la conducción del agua.

2.6 PLANIFICACIÓN DEL DISEÑO Dentro del proceso de planeamiento de la obra civil para las MCH’s se conocen los siguientes componentes básicos: 

Captación (Bocatoma)



El canal de conducción y desarenador, tubería de conducción.



La cámara de carga.



Las obras de caída.



La casa de máquinas y fundamentos del equipamiento.



El canal de descarga.

Estas obras civiles para el proyecto de la

Mini Central

Hidroeléctrica de Llopish emplazarán aproximadamente entre las cotas, 3005 y 2957.67 m.s.n.m. El diseño de la Mini Central se efectúa basado en el levantamiento topográfico tomando en consideración aspectos geológicos así como los de visibilidad y facilidad de acceso a la zona de las obras.

44

CAPÍTULO III: FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1 ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN Llamada también “Bocatoma” es una estructura hidráulica que permite garantizar la captación de una cantidad regulada de agua, desde la fuente hídrica que puede ser un río, riachuelo, lago manantial, etc. y derivarla al canal de acceso en lo posible libre de materiales sólidos y flotantes.

Para caudales pequeños, la bocatoma es relativamente sencilla ya que todo lo que tiene que hacerse es simplemente un represamiento donde el agua se embalsa y se deriva hacia el canal de acceso.

Dependiendo de la topografía del terreno y de la ubicación geográfica, así como el grado de regularidad en el caudal del río o riachuelo en diversas épocas del año, el represamiento puede ser de los siguientes materiales:

a)

De piedras o tierra, para caudales pequeños y estables.

b)

De madera con piedras, donde la madera es abundante y el concreto escaso o costoso como en la ceja de Selva.

c)

De mampostería o concreto, para uso en la región andina donde hay grandes variaciones de caudal.

En todos los casos, al construirla se debe remover del lecho del riachuelo todo el barro, material vegetal y materiales sueltos lo cual generalmente es sencillo ya que si es un riachuelo natural este habrá formado a través de los años su propio lecho hasta el fondo rocoso, arcilla dura u otra formación estable.

45

En la quebrada Llopish se usará una bocatoma con barraje mixto para una capacidad mínima de captación de 0.065 m 3/seg y para 1.95 m3/seg (75%

del caudal máximo) en el caso de máxima

avenida.

El barraje mixto, es decir, una parte fija (azud) y de otra móvil (compuerta), se construirá de concreto del tipo de gravedad que se adapta bien para usarse como vertedero o aliviadero en la corona; y dependen de su propio peso para su estabilidad estructural.

3.1.1. PARTES DE UNA CAPTACIÓN Barraje Es una estructura de derivación que sirve para elevar el nivel de las aguas se construye en sentido transversal al río con fines de captación, siempre y cuando sea necesario, es decir, en aquellos casos en que el tirante del río no sea lo suficientemente grande y no abastezca los requisitos de captación.

Presas derivadoras o Azudes El azud es un tipo de barraje – una represa vertedora – cuya función es captar y dejar escapar el agua excedente o de avenidas que no debe ingresar al sistema. Las presas vertedoras o de barraje fijo se emplean en los casos de ríos con pequeños caudales, cuando el caudal de derivación es superior al 30% del estiaje del río.

Es necesario que el azud sea hidráulico y este estructuralmente bien diseñado. Así mismo, debe ser ubicado de manera tal que las descargas del vertedor no erosionen ni socaven el talón aguas abajo. Las superficies que forman la descarga del vertedor deben

46

ser resistentes a las velocidades erosivas creadas por la caída de las aguas de la cresta. Otro factor importante a tener en cuenta en el diseño del azud es la subpresión, que es la fuerza ejercida por el agua de filtración que satura la masa del suelo en la cimentación sobre la base de las estructuras. Su acción es de abajo hacia arriba. Esta fuerza hay que tenerla muy en cuenta en la determinación de la estabilidad de la estructura. Por lo tanto, una parte esencial del diseño, es la investigación de las condiciones de movimiento de las aguas subterráneas por debajo de la construcción hidráulica, a fin de escoger las dimensiones y formas más racionales, económicas y seguras.

Descarga de fondo Se llama así a la compuerta metálica que sirve para eliminar los materiales de acarreo que se acumulan delante del barraje. Se ubica en un extremo del azud, al lado de la reja de admisión. Generalmente el río trae en épocas de crecientes gran cantidad de piedras medianas que se encuentran aguas arriba del azud, pudiendo llegar a tapar la reja de admisión con lo cual el caudal de captación se reduce considerablemente ó puede ser totalmente interrumpido. La función de la compuerta es eliminar este material grueso, por lo general, la eficiencia de la compuerta de limpia es pequeña , pero por lo menos se consigue mantener limpio el cauce frente a la rejilla.

La compuerta se abre en crecientes, cuando sobra agua, y por lo tanto cumple una función adicional de aliviar el trabajo del azud y hasta cierto grado regular el Cauce captado, su operación se realiza desde un puente construido por encima de dicho barraje.

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Solera de Captación Se trata de una losa o piso a desnivel respecto de la antecámara ó piso de la bocatoma, cuyo objetivo es crear un pozo de sedimentación donde se depositen tos materiales de suspensión.

Antecámara o Zona de Decantación Es el área que por su desnivel respecto de la solera de captación está destinada a recibir y acumular los materiales de acarreo del río. Su cota será la misma que la del río y aproximadamente 30 cm menor que la solera de captación.

Reja de Admisión Antes de la compuerta de admisión de agua al canal de conducción es conveniente colocar una reja de 5 cm de abertura como máximo. Esta impedirá el ingreso de pedrones y materiales flotantes que puedan afectar el funcionamiento del canal.

Compuerta de admisión Es un dispositivo (generalmente metálico) que sirve para controlar, regular e impedir el acceso de agua del río al canal de conducción.

Canal de Conducción El

canal

es

una

estructura

hidráulica

de

forma

regular

artificialmente construida, que en razón de su pendiente puede conducir agua de un lugar a otro.

Vertederos o Aliviaderos Estas estructuras facilitan la evacuación de caudales de agua excedentes o superiores a las que se desean captar.

En época de estiaje deben construirse obras complementarias ó auxiliares que permitan la circulación normal de aquellos

48

volúmenes que no se desea que ingresen al sistema. Durante las crecidas los caudales excepcionales serán evacuados por los vertederos. Si dichos caudales llegaran a ingresar al sistema podrían generar problemas de imprevisibles consecuencias. Los vertederos, pues, también cumplen una valiosa función de protección.

Desripiador Se utiliza para evacuar los sedimentos y sólidos que contienen las corrientes.

Contra solera y Colchón de agua Al elevar las aguas del río para hacer posible su captación, el barraje crea alturas de carga que podrían provocar erosión en el lecho del río al momento de su caída, afectando con ella la estabilidad de toda la estructura de la toma. A fin de prevenir esta actividad erosiva es que se construyen los pozos artificiales. Su propósito fundamental es amortiguar la caída de la aguas sobre el lecho del río, protegiendo de este modo los cimientos de la toma. La finalidad de la contra solera es permitir, junto con el barraje, la formación de un pozo artificial que amortigüe la caída de las aguas.

Muros de Encauzamiento Son estructuras destinadas a proteger las márgenes de los ríos o quebradas, así como la de darles dirección determinada. Estos muros serán de concreto y se construirán aguas arriba y abajo de la compuerta y a ambas márgenes, rematando en transiciones alabeadas para empalmar con los taludes naturales del río.

Estos muros se cimentarán sobre terreno duro y su diseño será en base a la resistencia del terreno a la topografía de los taludes, a las crecientes máximas para evitar el desbordamiento del agua.

49

3.1.2. CANAL DE CONDUCCIÓN Los canales son conductos en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera.

Los canales pueden ser naturales (ríos o quebradas) o artificiales (construidas por el hombre) dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (túneles, tuberías, alcantarillas).

Para su diseño y construcción se requiere conocer la demanda de agua para fines de irrigación, agua potable, generación de energía hidroeléctrica, entre otros, pudiendo adecuar diferentes tipos de canales para cada parte de la ruta.

3.1.2.1.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

Trazado del canal y su pendiente El

trazado

del

canal

permitirá

establecer

secciones

transversales para determinar las áreas de cortes y relleno adoptando una pendiente longitudinal del fondo de acuerdo a las condiciones topográficas del terreno. Está pendiente debe ser tal que la carga necesaria en los puntos de entrega del agua reduzcan al mínimo la pérdida de elevación y establezca flujo subcrítico para no producir erosión.

Así mismo se deberá tener en cuenta que el fondo del canal debe estar por encima del nivel freático, de lo contrario cuando el canal este vacío la presión hidrostática puede dañar el canal.

Para la elección de la pendiente de un canal y sus dimensiones, se deberá elegir previamente el tipo de canal para cada parte de la ruta así

50

como el material de

revestimiento correspondiente. El ángulo del talud del canal nos dará su tipo de sección y, la velocidad del agua en el canal y la rugosidad del mismo, proporcionará el tipo de revestimiento adecuado.

Es oportuno indicar que pendientes con valores de 1/1000, 2 /1000, 3/1000, 5/1000, 0.8/1000 ó 2/1000 son usuales en la sierra del Perú.

a. Angulo del Talud y sección del canal Se determina de acuerdo al tipo de terreno por donde pasará el canal. Mediante pruebas de mecánica de suelos se ubican las zonas estables evitando zonas de deslizamientos; el cuadro n° 08, da algunos valores de ángulo de talud recomendado para diferentes materiales del terreno.

CUADRO Nº 08: TALUD RECOMENDADO EN CANALES Clase de material Z (talud) Arena

3.0

Arena y greda

2.0

Greda

1.5

Greda y arcilla

1.0

Arcilla

0.58

Concreto

0.58

Roca dura

Vertical

Z: Proyección horizontal para un vertical igual a la unidad. Se recomienda usar concreto para canales en tierra o en roca suelta se puede emplear secciones trapezoidales, en cambio, para canales excavados en roca fija se empela secciones rectangulares.

51

Cabe indicar que en zonas de la Sierra del Perú los canales se trazan a pie de ladera y en estos casos debe tenerse sumo cuidado por cuanto se estará afectando la estabilidad de dichas laderas y pueden ocurrir deslizamientos que taparían el canal o destruirían parte de él interrumpiendo el flujo del agua. Si no es posible evitar pasar por estas zonas se recomienda tapar el canal en los tramos de riesgo, puede usarse lozas prefabricadas de concreto, igualmente cuando el canal pasa por zonas arcillosas y en ladera, el empuje debido a filtraciones por riego en la parte superior produce roturas, por lo que armado y construir drenes.

b. Velocidad del agua En el diseño de canales se debe considerar dos valores extremos de la velocidad del flujo. Velocidad mínima Debido al transporte de sedimentos de la corriente se debe establecer una velocidad tal que no produzca sedimentación de las partículas sólidas, esta velocidad también debe evitar el crecimiento de plantas porque aumenta la rugosidad del canal disminuyendo la sección transversal así como la capacidad de transporte, valores entre 0.60 a 0.90 m/s son adecuados para evitar estos inconvenientes.

Velocidad máxima Es aquella permitida para que no se presenten problemas de erosión o flujo supercrítico. Para canales de concreto se recomienda que la velocidad máxima no sobrepase los 3 m/s, para mampostería de piedra se puede aceptar hasta 2 m/s, en canales de rocas duras y granito se puede aceptar hasta 5 m/s.

52

CUADRO Nº 09: VELOCIDADES MÁXIMAS PERMISIBLES PARA CANALES NO REVESTIDOS Tipo de material

Velocidad (m/s)

Polvo y limo

0.15 – 0.40

Arena fina

0.20 – 0.50

Arena media y gruesa

0.30 – 0.70

Grava media y gruesa

0.70 – 2.00

Guijarros

2.00 – 3.00

Rocas sedimentarias

2.50 – 4.50

Suelos arcillosos

0.60 – 1.20

c. Rugosidad Constituye uno de los factores más importantes en hidráulica, su determinación requiere de mucha experiencia variando en la sección transversal, a lo largo del canal y de acuerdo al mantenimiento respectivo.

Cuando el agua pasa por el canal pierde energía en el proceso de deslizarse por las paredes y el lecho. Mientras más rugoso es el material del canal, hay más pérdidas por fricción y mayor será la pendiente de desnivel que se requerirá entre la entrada y la salida del canal. Considerar los coeficientes de rugosidad proporcionados por Manning.

REVESTIMIENTO El revestimiento tiene por la finalidad proteger al canal de la fuerza erosiva de la corriente, evitar excesivas pérdidas por filtración, disminuir la rugosidad logrando una mayor velocidad permisible con la cual se reduce la sección transversal.

53

Los revestimientos más empleados en el Perú son de concreto y mampostería de piedra, estos son más eficiente pero más cotosa, su empleo requiere de mano de obra calificada, además debido a su rigidez pueden sufrir grandes daños en caso de derrumbes y hundimientos.

El espesor del revestimiento puede variar de 2 a 4 pulgadas (5 cm. a 10 cm.) siendo para canales rectangulares mayor que para canales trapezoides desde un mínimo de 10 cm hasta un máximo de 20 cm.

3.1.3. ALIVIADERO Un aliviadero es un tipo de vertedor. Se llama vertedor a un dispositivo hidráulico que consiste en una escotadura a través de la cual se hace circular el agua.

Los aliviaderos son estructuras de regulación y de protección que sirven para evacuar caudales de demasías o caudales superiores a los del diseño. Si esta agua excedentes ingresaran a las diferentes obras que componen el sistema, podrían ocasionar daños de imprevisibles consecuencias.

Su diseño define básicamente tres características: largo, altura (tirante útil más borde libre) y tipo de cresta que será definida por un coeficiente de descarga. En la figura vemos un aliviadero de avenidas junto con unas compuertas de control de caudal y de vaciado de canal.

El aliviadero se combina con las compuertas de control para el desagüe del mismo. En ciertos casos, es necesario detener

54

rápidamente el ingreso de agua al canal, por ejemplo cuando se ha producido una rotura en el canal aguas abajo que ocasiona el colapso progresivo de este así como erosionando sus cimientos. Con frecuencia hay emergencias en épocas de avenida.

Las compuertas de control de la figura deben estar situadas por encima del nivel de la avenida y a una distancia del río como la que se aprecia, a fin de permitir un fácil acceso cuando el río está crecido. Es conveniente no confiar en un solo mecanismo para cortar el paso de agua al canal, sino que hay que tener otra alternativa. Podría ocurrir que una de las compuertas no funcione cuando sea necesario, en especial si no ha sido usada con mucha frecuencia.

Por lo general, las compuertas se abran más fácilmente de lo que se cierra. Las compuertas A y B de la figura podrían ser más confiables que la compuerta C. no obstante, si se usa esta última para detener el caudal del canal, el efecto inmediato será que todo el caudal de avenida pase por el aliviadero. El ancho y los muros del canal de rebose deben bastar para contender todo el caudal en este caso. Dado que C es una compuerta con un orificio de tamaño variable, es también un mecanismo para regular el caudal a niveles bajos, si lo que se desea es probar la turbina.

Es recomendable construir otros aliviaderos a intervalos de 100 m a lo largo de todo el canal principal, así como tener desagües para conducir el agua de rebose lejos de la base del canal. El costo de incluir estos reboses y desagües es considerablemente menor que el costo de la erosión de la pendiente y los daños que ocurrirían al canal si éste llegar a rebalsarse.

55

3.1.4. DESARENADOR Es una estructura que permite eliminar las partículas sólidas transportadas por un curso de agua y mayores a un cierto diámetro.

Los

desarenadores

son

llamados

“depósitos

de

sedimentación” y la eliminación de los sólidos tiene dos procesos:

3.1.4.1.

Sedimentación de los sólidos

Se logra disminuyendo la velocidad del agua de forma tal que el flujo pierda su capacidad de transporte y los sólidos se depositen, este efecto se consigue aumentando el ancho del depósito con lo cual se aumenta la sección transversal.

3.1.4.2.

Evacuación de los Sólidos

Se efectúa mediante compuertas de purga hacia canales de descarga. Un desarenador, esencialmente consta de las siguientes partes:

a.

Transición de Entrada

La dirección del agua. Une el canal con el desarenador. Debe tener un ángulo de divergencia no mayor a 12º30’.

b.

Cámara de Sedimentación

En la cual las partículas sólidas caen en el fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de sección.

c.

Compuerta de lavado

Por el cual se evacuan los sólidos.

d.

Transición de salida

56

Para diseñar un desarenador debe elegirse una velocidad de agua adecuada que por experiencia se recomienda 0.2 m/s en la mayoría de los casos, pudiendo adoptarse también valores hasta 0.5 m/s. Así mismo también debe ser lo suficiente largo como para permitir que se decanten las partículas más livianas que las de diseño.

3.1.4.3.

Ecuaciones Básicas y Criterios para el Diseño

Para determinar las características de un desarenador se considera un desarenador rectangular de ancho W, longitud L y profundidad h. Siendo: Q : caudal de diseño (m3/s) Vo : Velocidad del agua en el desarenador (m/s) C : Velocidad de sedimentación de los sólidos en aguas tranquilas (m/s) h : Profundidad del agua en el desarenador (m) t : tiempo de sedimentación (seg9 L : longitud de desarenador (m) Las ecuaciones básicas consideran los siguientes criterios:

a. Análisis del material sólido en suspensión: Nos permite determinar la concentración Co (gr/m3) y el diámetro límite por encima del cual se debe remover o evacuar.

b. Criterio de tiempos Consiste en analizar el tiempo que necesita una partícula sólida para recorre “L” Y depositarse en el fondo del desarenador. Sea: t : tiempo requerido por la partícula que recorre la distancia “h” y con la velocidad “c” t’: Tiempo necesario para recorre L con velocidad Vo

57

se presentan tres casos: t=

h c

t’ =

L Vo

 si t’ < t, desarenador sub-dimensionando con una longitud insuficiente que hará que las partículas se depositen aguas abajo del desarenador (en el canal).  Si t’=t, valor correcto en donde la partícula caerá al final del desarenador   Si t’>t, desarenador sobredimensionado lo que significa que los sólidos se depositarán en el fondo del desarenador antes de recorrer el total de la distancia “L”. De figuras a, b, y c deducimos que H = ct.

Caudal: Q = Vo Wh Ancho: W=

Q Vo h

c. Criterio de Volúmenes Se deduce del anterior criterio. Consiste en considerar que hay un volumen de agua que ingresa en el tiempo “t” el cual debe ser almacenado en el volumen geométrico del desarenador. Volumen de agua que ingresa en “t”

: Qt

Volumen del desarenador

:V

Un buen diseño debe cumplir

:V Qt  WhL  Q

d. Criterio de Semejanza Consiste en analizar el movimiento de una partícula sólida en el desarenador y asumir semejanza en el triángulo de velocidades y el triángulo de L y h.

58

Vo L  C h

Semejanza: 

L=

Vo h c

e. Velocidad de sedimentación Es la velocidad de caída de los sólidos que se determina mediante gráficos obtenidos de experiencias de laboratorio y para aguas tranquilas. El diámetro límite de los sólidos admitidos para plantas hidroeléctricas depende de muchas variables: velocidad, altura, tipo de turbina.

CUADRO Nº10 : DIAMETRO LÍMITE DE SOLIDOS EN SUSPENSIÓN H(m)

Dlim(mm)

Turbina

Dlim (mm)

< 100

0.2 – 0.01

Pelton

0.2 – 0.4

50 – 100

0.5 – 0.3

Francis

0.4 – 1.0

< 50

1.0 – 0.6

Kaplan

1.0 – 3.0

Las velocidades de caída promedio en aguas tranquilas (según Arkhangelski, 1935) para diferentes diámetros de sólidos de muestra en la Cuadro Nº 11:

59

CUADRO Nº11

: VELOCIDAD DE CAÍDA PROMEDIO

Diámetro

Velocida

Diámetro

Velocida

mm Turbin

d

mm Turbin

d

Turbin

d

De caída m

a

De caída

De caída

a

a

“c” (cm/s)

Diámetro

“c” (cm/s) m

Velocida

“c” (cm/s)

0.0

0.178

0.4

Francis 4.32

1.0 Kaplan 9.44

5

0.698

0

Francis 4.86

2.0 Kaplan 15.29

0.1

Pelton

1.56

0.4

Francis 5.40

3.0 Kaplan 19.58

0

Pelton

2.16

5

Francis 5.94

5.0 Kaplan 24.90

0.1

Pelton

2.7

0.5

Francis 6.48

Kaplan

5

Pelton

3.24

0

Francis 7.32

Kaplan

0.2

Pelton

3.78

0.5

Francis 8.07

Kaplan

0

5

0.2

0.6

5

0

0.3

0.7

0

0

0.3

0.8

5

0

Sin embargo, cuando el agua está en movimiento se produce turbulencia en el desarenador debido al cambio de sección y pendiente del fondo, esta turbulencia produce una velocidad ascensional que tiende a retrasar el descenso de los sólidos. Por este motivo la ecuación de “L” se le afectará por un coeficiente “K” que toma los siguientes valores:

L=K

60

Vo h c

Vo (m/s)

0.20

0.30

0.50

K

1.25

1.50

2.0

“k” para pequeñas velocidades de flujo.

f. Tiempo de sedimentación Depende de la profundidad del desarenador, velocidad V o y la densidad de las partículas. En la Cuadro N°12, tenemos tiempos de sedimentación estimados en función del diámetro de las partículas

CUADRO Nº12 D(mm) 1.0 T

7.2

0.9

0.8

8

9

:TIEMPO DE SEDIMENTACIÓN PROMEDIO 0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2 0.15 0.10

11 12.5 15

18

25

38

50

70

(seg.)

3.1.5. CÁMARA DE CARGA La cámara de carga es una estructura construida al final del canal de conducción y donde se inicia la tubería de presión; tiene por finalidad: 

Eliminar los sedimentos que aún pudiera llevar el agua.



Impedir la turbulencia por fluctuaciones del nivel, la cual puede propiciar la entrada de sedimentos a la tubería, para evitarlo se diseña una transición de entrada.



Servir como disipador de los cambios de presión producidos por el golpe de Ariete, para ello se le da una profundidad adecuada, mayor al final de la cámara de carga.



Regular el flujo de entrada de agua a la tubería, eliminando los excesos por medio de un aliviadero generalmente lateral.

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

Evitar la entrada de aire a la tubería, almacenando un volumen de agua suficiente para atender las necesidades de la demanda eléctrica.

ELEMENTOS Y ESPECIFICACIONES Una cámara de carga consta de los siguientes elementos:  Un tanque de regulación que tiene una capacidad suficiente, conectado al canal por medio de una transición.  Un aliviadero.  Cámara de presión propiamente dicha, con rejillas para evitar la entrada de material flotante.  Tubo de desagüe para eliminar sedimentos y lavar el tanque de regulación.  Un anclaje que acopla la cámara de presión con la tubería. o

Las especificaciones son :

 La tubería de presión debe colocarse dentro de la cámara en un plano horizontal para evitar la formación de remolinos.  La entrada de esta tubería debe tener forma abocinada para evitar en lo posible las contracciones laterales.  La tubería de presión debe estar situada a una profundidad suficiente de la superficie de la cámara con el fin de evitar la formación de remolinos y absorción de aire.  Los excesos de agua provenientes del aliviadero se deberá evacuar hacia zonas seguras, sin poner en riesgo las estructuras de la central, se recomienda devolver el agua hacia el río.

3.1.6. TUBERÍA DE PRESIÓN Son tuberías que trasportan agua bajo presión desde la cámara de carga hasta la rueda de la turbina en la casa de fuerza, dispuesta de tal forma que rige los lineamientos del perfil longitudinal del terreno.

62

La tubería de presión tiene como objeto transformar la energía potencial de posición que tiene el agua en la cámara de carga en energía de presión que tiene la misma al final de la tubería.

Esta tubería además de estar sometida a la presión de la carga estática soporta también sobrepresiones por efecto del golpe de ariete, originadas al interrumpir el flujo del agua hacia la turbina.

Entre los materiales frecuentemente utilizados en las tuberías de presión para microcentrales y/o minicentrales hidroeléctricas se encuentran el acero comercial y el Policloruro de Vinilo (PVC), según la exigencia de cada instalación, forma de instalación y sobre todo de la presión a soportar.

En este proyecto se hará uso de une tubería de PVC, porque se adecua perfectamente a las condiciones del proyecto. La tubería de presión irá enterrada 1 metro de profundidad

3.1.6.1.

Criterios de diseño – selección del número de

tuberías. a. La elección del número de tuberías es función del número de grupos instalados y de la oportunidad de mantener la independencia del funcionamiento de dichos grupos.

b. A igualdad de caudal y de pérdida de carga una sola tubería pesa y cuesta mucho menos que varias tuberías, por lo cual desde el punto de vista económico existe la conveniencia de reducir al mínimo el número de ellas.

c. El diámetro de las tuberías forzadas pueden ser constante o decreciente desde arriba hacia abajo. Para determinar el diámetro conveniente es necesario considerar previamente que

63

toda la tubería tiene un diámetro único para después estudiar las soluciones con diámetro variable.

d. El diámetro debe ser determinado a base de un estudio económico en donde se muestra la intervención de diferentes variables que entran en juego en el problema. El diámetro de máxima conveniencia de una conducción forzada es el que hace mínima la suma de ala anualidad que comprende el interés del capital necesario a la adquisición de la tubería y a su amortización, y el valor de la energía equivalente a las pérdidas de carga que se producen en la tubería.

e. En el cálculo del diámetro económico de la tubería, intervienen la pérdida de carga y la velocidad, cuyos valores no deben sobrepasar los límites obtenidos por la experiencia. La velocidad del agua en las tuberías, para el caudal máximo, resulta en la práctica comprendida entre 2 y 6 m/s. Así mismo la pérdida de carga debe estar alrededor del 5% de la altura bruta y no ser mayor que el 10% de la misma.

f. Para la tubería rectilínea con diámetro y espesor constante, la sobre presión se estima del 20 al 30% de la carga estática. 3.1.6.2.

Componentes del sistema del conducto forzado

El sistema del conducto forzado se inicia aguas arriba con la tobera de admisión y termina aguas abajo en una unión donde instalará la válvula principal dentro de la casa de máquinas.

Los componentes para el conducto forzado de Acero y PVC son:

64

a. Tobera de Admisión. Su objetivo es captar suavemente el agua de la cámara de carga sin producir pérdidas por estrangulamiento. b. Tubería en tramos rectos. c. Codos. Accesorios que permiten el cambio de rasante. d. Junta de dilatación. Permite absorber los movimientos de la tubería originados por cambios de temperatura y sismos. e. Camas metálicas de deslizamiento. Son instalados en los apoyos y permiten el deslizamiento de la tubería. f.

Sunchos. Son abrazaderas que evitan un eventual

levantamiento de la tubería. g. Bridas. Permiten instalar las juntas de dilatación, accesorios, etc. h. Apoyos y Anclajes. Es necesario señalar, que en el estudio del perfil longitudinal del terreno (en donde se alineará el sistema del conducto forzado) se debe tener en cuenta evitar un tramo de escasa pendiente seguido de otros con gran inclinación, porque al exigir, por aumento de carga, mayor caudal de la turbina, se acelerará el agua en el tramo de mayor pendiente, y como el agua en el anterior trazo no podrá seguirle, se crearía en el codo una zona de presión negativa que podría aplastar la tubería, pues no es probable que esta se hubiera calculado para resistir la presión atmosférica con el vacío en su interior.

3.1.7. CASA DE MÁQUINAS Para una pequeña Central Hidroeléctrica, la casa de máquinas debe considerar los siguientes ambientes: - Sala de máquinas. - Depósito. - taller almacén. - Oficina.

65

- Dormitorio para operadores. La sala de máquinas alberga al o los grupos hidroeléctricos, compuesto básicamente por los siguientes componentes:

a. Válvula Principal. Se instala en la unión al final de la tubería de presión. Luego, va la junta de montaje, el cual permita acoplar la válvula con la conducción hacia la turbina.

b. Turbina Hidráulica. Componente principal, transforma la energía del agua en energía mecánica y lo hace disponible en su eje.

c. Sistema de Acoplamiento y/o Transmisión de Potencia Mecánica. Por medio del cual se transmite le energía mecánica disponible en el eje de la turbina hacia el eje del alternador

d. Generador Eléctrico. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica dejándolo disponible en los bornes.

e. Tablero de Control. Al cual, mediante cables eléctricos, llega la energía de los bornes del generador. Permite visualizar la medición de los parámetros de la energía generada, ajustar estos parámetros, mandar e interrumpir la energía hacia el centro de consumo mediante un interruptor general.

f. Gobernador Automático de Velocidad. Actúa para mantener la frecuencia dentro de los rangos permisibles cuando el consumo de energía varía. g. Volante. Permite completar el momento de inercia necesario a la del conjunto turbina-generador y así dejar actuar al regulador automático, por un determinado tiempo, para realizar una adecuada regulación evitando oscilaciones no deseadas.

66

Para el proyecto, se considera la arquitectura de una casa de máquinas estándar sugerida por el ing. Tsuguo Nozaki, tal como se muestra en el plano respectivo.

3.1.7.1.

Equipamiento de la Casa de Máquinas.

Para seleccionar el grupo hidroeléctrico, previamente se debe de haber definido la demanda de energía actual y/o proyectada (ver capítulo 3), y los siguientes parámetros: - Salto neto disponible (53 m) -

Caudal de agua disponible (0.065 m/s)

Es condición indispensable que se coloquen unidades que funcionen con el máximo rendimiento (de acuerdo a la demanda de potencia) y por ello que las turbinas trabajen dentro del campo, de éste, que tenga mayor valor.

3.1.7.2.

Selección del Grupo Hidroeléctrico

Turbina Hidráulica. Es un dispositivo mecánico capaz de convertir en trabajo, en forma de movimiento de rotación, la energía cinética presente en les masas de agua que circulan a través de ella. Los elementos principales que componen una turbina hidráulica son: - El Distribuidor, cuya función es acelerar el flujo de agua al transformar total (turbina de acción), o parcialmente (turbina de reacción) la energía potencial del agua en energía cinética y dirigirla hacia el rodete, siguiendo una dirección adecuada. -

El Rodete, órgano fundamental que consta de un disco

provisto de un conjunto de alabes, paletas o cucharas animado por una cierta cantidad angular. Entre otros elementos de una turbina se encuentra el tubo de aspiración, muy común en las turbinas de reacción, y la carcasa.

67

a. Tipos de Turbina. Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grandes grupos: Turbinas de Acción y Turbinas de Reacción. Entre las turbinas de mayor utilización en nuestro país destacan: - Turbina Pelton Conocida como turbina de presión por ser ésta constante en la zona del rodete por la acción del chorro libre; o de admisión parcial por ser atacada por el agua en una parte de la periferia del rodete.

La turbina Pelton también es una turbina de acción debido a que el sentido de la proyección del chorro del agua y el sentido de giro del rodete coincide.

El sistema de distribución está constituido por un inyector que consiste en una tobera de sección circular provista de una aguja de regulación que se mueve axialmente, variando así la sección de flujo.

El rotor consta de un disco provisto de una serie de cucharas montadas en su periferia.

Las turbinas Pelton pueden instalarse con el eje horizontal (1 o 2 chorros) o con el eje vertical (3 a 6 chorros)

Esta turbina opera con gran eficiencia en condiciones de gran altura y pequeño caudal, manteniendo buena eficiencia a carga parcial.

68

- Turbina Michell Banki o de flujo cruzado Es también una Turbina de Acción con la particularidad que el chorro de agua atraviesa el rodete impactando en los alabes en dos oportunidades antes de salir de la misma.

El sistema de distribución consiste de un inyector o tobera rectangular y un alabe directriz para la regulación del caudal El rotor posee forma cilíndrica o de tambor, y está compuesto por 2 o más discos entre los cuales periféricamente un cierto número de alabes de gran longitud

La característica del rotor permite que la turbina opere dentro de un rango de variación de caudal con solo variar su longitud. En instalaciones de baja altura suele incorporarse un tubo de sección cilíndrica para recuperar de la altura de montaje de la turbina. Es utilizada principalmente para saltos y caudales pequeños con buena a carga s parciales.

- Turbina Turgo Puede definirse como de acción, de flujo diagonal y de admisión parcial, posee un inyector similar al de la turbina Pelton y el rotor se asemeja a un medio rotor Pelton. Se le recomienda para pequeñas centrales como montaje horizontal y vertical.

- Turbina Francis. Conocida como turbina de sobre presión por ser variable la presión en la zonas del rodete, o de admisión total ya que este se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda la periferia.

69

Es una turbina de reacción ya que cada una de las láminas del fluido que se forma, después de pasar el agua por los alabes fijos y directrices, no se proyectan hacia los álabes de manera frontal, si no que más bien se trata de un deslizamiento sobre los mismos, de modo tal que el sentido de giro del rodete no coincide con las direcciones de entrada y salida del agua. Es utilizada principalmente para grandes caudales y bajos saltos.

b. Selección de la turbina En los proyectos de centrales hidráulicas se selecciona el tipo de turbina por medio del número específico “Ns”, cuyo valor estará dentro del rango de aplicación del tipo de turbina más conveniente. El “Ns” es un valor característico que indica “el número de revoluciones por minuto (RPM) que daría un rodete si sus proporciones fuesen reducidas para desarrollar 1HP con una altura de un metro”. Ns 

N P H 1.25

P

OH 76

x

Donde: P : Potencia del freno de la turbina (HP) H : Salto neto (m) Q : Caudal del diseño (m3/s) η : Eficiencia de la turbina. N : Velocidad de giro de la turbina (RPM)

El procedimiento consiste en asumir una velocidad optima de giro de la turbina, igual a una de las velocidades síncronas del alternador, que puede ser según el número de polos según a la siguiente expresión: =N = 60 f/p, donde “f” es la frecuencia de la

70

res (60 Hz) y “p” número de pares de polos. Este procedimiento de selección (de N) es aplicable cuando la turbina se acopla directamente al alternador.

Sin

embargo,

en

proyectos

de

pequeñas

centrales

hidroeléctricas se pueden utilizar transmisión por fajas o engranajes, pero esta solución hace difícil determinar un número de revoluciones para la turbina.

3.1.7.3.

ALTERNADOR ELÉCTRICO

El alternador o generador de corriente alterna es una máquina rotativa que recibe la energía mecánica y transforma en energía eléctrica.

Para su utilización en centrales hidroeléctricas, se deberá indicar muy claramente se refuercen sus elementos de sujeción de la parte rotativa, a fin de que el equipo soporte los efectos de las fuerzas

centrífugas

generadas

por

la

velocidad

de

embalamiento.

En los alternadores se requiere un control estrecho de la tensión de salida, a fin de que los equipos conectados trabajen adecuadamente. Los alternadores modernos son del tipo autoexcitado, autorregulados, con variaciones de tensión no mayores a  3% entre vacío y plena carga, asumiendo velocidades de giro constante de la máquina motriz.

Puede ir acoplado directamente al eje de la turbina, o indirectamente mediante poleas y fajas; otras de las formas de acoplamiento,

puede

ser

por

medio

multiplicadores o reductores de velocidad.

71

de

dispositivos

Velocidad Síncrona Es la velocidad que debe girar el alternador, que permanece invariable y origina en la corriente alterna la frecuencia síncrona normalizada (50 ó 60 Hz). Como la frecuencia de salida es dada por la máquina motriz prima, una variación de la velocidad de ésta, provocara una variación de frecuencia y con ello efectos dañinos en los equipos que consumen esta energía. Es por ello importante que la turbina gire a una velocidad lo más constante posible,

independientemente

de

la

carga

eléctrica

que

apliquemos. Un aspecto importante de los alternadores es el costo, y es función de la velocidad de giro; a mayores RPM el costo del equipo es menor a igualdad de potencia de salida.

Se fabrican para distintas tensiones y velocidad de rotación; siendo las más frecuentes en las mini centrales hidroeléctricas de 220, 380 y 440 voltios, así como velocidades síncronas de 720, 900, 1200 y 1800 RPM, como potencias disponibles hasta 30KVA en generadores monofásicos, y mayores en generadores trifásicos. a. Tipos de alternadores. Se presentan las siguientes formas constructivas:

a.1 Alternador con Escobillas: Se caracterizan por contar con anillos colectores y escobillas. La tensión de salid a es proporcional a la velocidad de giro del motor primo. El sistema de excitación está constituido por 3 elementos básicos: - Un reactor o bobina, cuya misión es suministra r la tensión de vacío del alternador.

72

-

Un transformador de corriente, su misión es suministrar la

corriente adicional requerida por el campo cuando al alternador se le está requiriendo potencia de salida. - Un puente rectificador de diodos, Cuya misión es rectificar la corriente alterna proporcionada por el reactor y el transformador e introducirlo en el campo principal. En la actualidad se producen en pequeñas cantidades y está limitado a bajas potencias por la dificultad de dar salida con escobillas a la corriente generada y por los altos pesos de las bobinas del rotor que implicaría el incremento de potencia.

a.2 Alternadores sin Escobillas: El uso confiable y económico de los rectificadores de silicio dio lugar al generador síncrono sin escobillas que incorpora en un eje común el sistema inductor giratorio, el inducido de la excitatriz de corriente alterna y un rectificador de onda completa trifásica de diodos de silicio para el campo principal. El alternador se autoexcita desde sus bornes de salida a través de un regulador automático de tensión (AVR) electrónico. Es decir, la excitatriz cuenta con un sistema de realimentación de señal y está conformado por 4 elementos básicos:  El AVR, que recibe la señal de tensión del inducido (estator), la compara con una tensión de referencia preestablecida (puede ser 220 voltios) y emite corriente al estator de la excitatriz.  El estator de la excitatriz (que aloja sus respectivas bobinas de campo), al recibir la corriente del AVR genera el campo magnético de excitación que induce en el rotor de la excitatriz una tensión alterna.  Esta tensión alterna es rectificada en el puente de diodos.  Este puente rectificador de diodos rotativos convierte la corriente alterna producida por la excitatriz en continua y excita el campo

73

principal que a su vez en el estator principal la tensión preestablecida de la salida. El AVR mantiene el nivel de tensión constante a cualquier condición de carga dentro del valor nominal del alternador aún con variaciones de la velocidad (5%). Estos alternadores son más costosos que los anteriores pero libres de todo mantenimiento, siendo la forma más difundida de fabricación.

74

CAPÍTULO IV: RESULTADOS

4.1

UBICACIÓN DEL PROYECTO

El presente trabajo de ingeniería se ha realizado en el Centro Poblado de Llopish, que pertenece al Distrito de Corongo en el departamento de Ancash.

El Distrito de Corongo es una población andina típica de la Región Quechua, sobre los 3,600 m.s.n.m. Políticamente corresponde a la provincia de Corongo, Departamento Ancash. (INEI-2007).

La creación política del Distrito de Corongo es mediante la ley L.R del 02 de enero de 1857 (Información correspondiente al censo 2005) Cuenta con los centros Poblados de: Corongo, Huallancayoj, Rayan, Rumi Chaca, Ñahuin, Huayllapampa, Chorro, Callahuaca, Llopish, entre otros, haciendo un total de 27 centros poblados.

75

4.2 CLIMA Y TOPOGRAFÍA Clima El clima en el departamento es variable según la región, es determinado por la presencia de los andes, su altitud modifica la temperatura, la humedad y presión atmosférica.

Las condiciones climáticas del centro poblado son; frió y lluvioso, el régimen de lluvias es de diciembre a abril, con los siguientes parámetros: Temperatura anual: Máxima……. 22 °C Mínima……. 12 °C Media….…... 18 °C

Topografía La topografía de la zona es accidentada, con pendiente variable que va de Sur a Norte y de Oeste a Este.

4.3 RESULTADOS HIDROLÓGICOS El caudal de diseño se obtuvo después de realizar aforos en la quebrada, la cual nos dio como resultado un caudal de 65 litros / segundo, lo que equivale a 0,065 m 3/s. Este aforo se obtuvo en la época de estiaje en el mes de setiembre,

En conclusión como nuestro aforamiento nos ha arrojado un caudal de 0.065 m3/seg. y para nuestros proyecto por seguridad se está considerando 0.065 m3/seg por los márgenes que se tienen que tener en cuenta en tiempos de estiaje. El caudal máximo considerado para el diseño de la bocatoma considerando un 75% del caudal máximo es de 1.95 m3/seg.

76

77

(Mwh)

0.747 32.34 0.35 10.55 0.705 30.61 0.345 10.13 0.589 25.74 0.33 8.90 0.549 24.04 0.325 8.44 0.479 21.08 0.315 7.64

0.516 22.62 0.32 8.07 0.449 19.80 0.31 7.29 0.417 18.41 0.305 6.89 0.395 17.48 0.3 6.65

0.363 16.10 0.295 6.23

0.343 15.26 0.29 6.01

0.319 14.23 0.285 5.70

0.296 13.19 0.28 5.38

0.279 12.48 0.275 5.18

0.269 12.05 0.27 5.09

0.249 11.17 0.265 4.81

0.215 9.71 0.255 4.35

0.203 9.15 0.25 4.18

(Mwh) (Mwh)

0.229 10.30 0.26 4.52

11 287.55 22.36 0.8 230.04 2.530 1.15 24.890 2.489 11 10 10 9 273.43 276.60 279.84 283.70 17.67 18.64 19.69 20.99 0.8 0.8 0.8 0.8 218.75 221.28 223.87 226.96 1.969 2.213 2.239 2.497 1.158 1.155 1.153 1.16 19.634 20.855 21.926 23.491 1.963 2.086 2.193 2.349 9 268.96 16.35 0.8 215.17 1.937 1.163 18.289 1.829 8 8 7 258.29 261.37 265.84 14.30 15.48 13.53 0.8 0.8 0.8 206.63 209.10 212.67 1.673 1.701 1.446 1.168 1.165 1.17 14.976 15.975 17.184 1.598 1.718 1.498 7 253.84 12.47 0.8 203.07 1.421 1.173 13.892 1.389

7 250.68 11.76 0.8 200.54 1.404 1.175 13.165 1.316

5 247.61 11.10 0.8 198.08 0.990 1.178 12.092 1.209

5 244.50 10.46 0.8 195.60 0.978 1.18 11.443 1.144

4 241.49 9.87 0.8 193.19 0.773 1.183 10.647 1.065

3 238.32 9.28 0.8 190.65 0.572 1.185 9.854 0.985

3 235.24 8.73 0.8 188.19 0.565 1.188 9.298 0.930

3 233.28 8.40 0.8 186.62 0.560 1.19 8.958 0.896

3 2 226.18 229.23 7.74 7.27 0.8 0.8 180.95 183.39 0.550 0.362 1.193 1.195 8.288 7.629 0.829 0.763

2 223.10 6.81 0.8 178.48 0.357 1.198 7.171 0.717

2 220.11 6.40 0.8 176.09 0.352 1.2 6.750 0.675

Abon. comerc. CUDAP (Kwh) (Mwh) CDAP I.C.C (Kwh) CUC (Mwh) C.C k CDAP+CC (Kwh) (Mwh) CI

Cesp. CT f.c. MD

2034 729 122 0.64 78 7

0.626 27.29 0.35 8.90

0.658 28.62 0.34 9.61

2032 692 115 0.61 70 7

2033 710 118 0.63 74 7 2031 674 112 0.60 67 7 2030 657 110 0.59 65 7 2029 640 107 0.57 61 7 2028 624 104 0.56 58 7

2027 608 101 0.54 55 7

2026 593 99 0.53 52 7

2025 578 96 0.51 49 7

2024 563 94 0.5 47 7

2023 549 92 0.49 45 8.2

2022 535 89 0.48 43 9.4

2021 522 87 0.47 41 10.6

2020 508 85 0.46 39 11.8

2019 495 83 0.45 37 13

2018 483 81 0.44 36 13

2017 471 79 0.43 34 13

2016 459 77 0.42 32 13

Factor de Perdida: 20% ~ 15% Factor de Carga: 0.25 ~ 0.35

2015 447 75 0.41 31 13

Curva de Energía Y = 88.1418 X 0.2716

2014 436 73 0.4 29 13

Tasa Crec. Pob.: 2.60% 6 Índice Hab/Viv: 20 Año Proyección:

Año Población Nº Viviendas C.E Abon. Domest. I.A.C.

Llopish Centro poblado: Corongo Distrito: Corongo Provincia: Departamento: Ancash

CUADRO Nº 13: PROYECCIÓN DE DEMANDA ELÉCTRICA CENTRO POBLADO DE LLOPISH

4.4 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA

El resumen de la proyección de la demanda eléctrica se indica en

el cuadro siguiente el mismo que ha sido efectuado para cada año

del período de estudio considerado.

4.5 POTENCIA DISPONIBLE Debido a la existencia de un desnivel, la masa de agua presenta una energía potencial que puede transformarse en energía cinética, cuando recorre un cauce debido a la acción de la gravedad, siendo energía aprovechable para producir trabajo útil. La potencia teórica queda expresada en la siguiente ecuación:

P=Q*H*W*E

(KW) (1)

75 Donde: P:

Potencia en KW.

Q:

Caudal en m3/S.

H:

Altura neta medida desde el nivel de agua en la cámara de carga hasta el eje de turbina.

W:

Peso específico del agua (1 000 Kg/ m3)

E:

Eficiencia de la central considerando perdidas de carga y eficiencia de turbina y generador igual a 0,70.

Por lo tanto:

P = 0,065 * 48.5 * 1 000 * 0,70 75

P = 29.42 KW= 30.00 KW

4.6

DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE OBRAS CIVILES

Entre las obras civiles que se ejecutan tendremos:

1

-

Estructuras de captación.

-

Desarenador.

-

Canal de Conducción.

CAP IV-ASPECTOS BASICOS EN EL DISEÑO DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS-UNPRG

78

-

Cámara de carga.

-

Tubería de presión.

-

Casa de Maquinas.

-

Canal de restitución. 4.6.1. DISEÑO DE LA BOCATOMA Caudal de Diseño

El caudal de diseño requerido es de dos tipos: 

Caudal de Ingreso al canal



Caudal Máximo de avenidas.

Para nuestro caso estos valores son 0.065m 3/s y

1.95m3/s,

respectivamente.

4.6.1.1.

UBICACIÓN DE LA BOCATOMA

Desde el punto de vista del curso de la quebrada, la mejor ubicación para las tomas corresponde a los tramos rectos y estables del mismo. En caso de no contar con estas condiciones, preferentemente se ubicarán en los primeros tramos de la curva y siempre en la parte convexa. Los tramos finales de una curva convexa estarán muy expuestos a los embates de las crecientes y de las velocidades erosivas, mientras que la zona cóncava es probable que pueda colmarse fácilmente.

4.6.1.2.

PARÁMETROS DE DISEÑO HIDRÁULICO.

Para el diseño hidráulico de de las estructuras civiles de la mini

central

hidroeléctrica

se

ha

considerado

el

procedimiento propuesto en el manual de diseño de pequeñas presas de la USBR y manual de mini

y

microcentrales hidráulicas – una guía para el desarrollo de proyectos del Perú.

79

Barraje Como ya se analizó, el barraje va a ser "mixto", es decir, de una parte fija (azud) y de otra móvil (compuerta). El azud es una estructura que se va a construir de concreto de tipo gravedad y la compuerta estará formada por planchas de acero.

Diseño del azud Altura de Aliviadero del Azud Para hallar la altura del Azud contamos con los siguientes datos: Qd = 1.95 m3/s

: Avenida de diseño.

L=8m

: Ancho local de la quebrada (de acuerdo

a sección transversal zona B y

considerando efecto de

limpieza lateral del cauce) S = 1.2 % N = 0.05

: Pendiente local del río. : Coeficiente de rugosidad, corriente natural un

poco pedregoso. P = ? : Altura del Azud.

Aplicaremos la fórmula de Manning dándole valores sucesivos al tirante “H” hasta alcanzar el caudal indicado. A. R 2 / 3 . S 1 / 2 Qd = n

Dónde:

A = 8.5 P

R=

Reemplazando en la fórmula:

80

8.5 P 8.5  2 P

Tirante (m)

Caudal (m3/s)

0.500

5.45

0.300

2.39

0.270

2.01

0.264

1.94 O.K.

Luego se considera P = 0.264 m Esto quiere decir que si la cota de la quebrada es 3005 m.s.n.m. de Cota del Azud será 3005.27 m.s.n.m.

CARGA DE DISEÑO SOBRE LA CRESTA DE BARRAJE (ho) El análisis para el cálculo de ho es el siguiente: cuando venga la máxima avenida por el río, se abrirá totalmente la compuerta de limpia, dividiéndose el caudal en dos partes: la que pasa por encima del aliviadero y lo que va por la compuerta de limpia, teniéndose la siguiente igualdad:

Qmay AV = Qsobre la cresta del Azud + Qcanal de limpia Estos caudales están en función de “ho” que por tanto se hallará tal que verifique esta igualdad.

Descarga o caudal sobre la Cresta del Azud Qa = 0.55 Co. L. Ho3/2 . . . . . . ... (1) Donde: L = la – 2.N.Kp.Ho L = longitud efectiva de la cresta Co = Coeficiente de descarga Ho = Carga total de la cresta (consideramos Ho=ho)

81

La = Longitud neta de la cresta (La = 6.85 m. ver más adelante) N = Número de pilas (para muestra caso N = 1) Kp = coeficiente de contracción de las pilas (Kp = 0.01) Para el primer tanto se supondrá que ho = 0.27 Por lo tanto, reemplazando datos: L = 6.85 – 2(1) (0.01) (0.27 L = 6.84 M

Se nota que L < La, debido a que la pila de la cresta produce contracciones laterales sobre la descarga para calcular el coeficiente de descarga variable tenemos: p 0.27 =1  H o 0.27

De acuerdo al manual de diseño de pequeñas presas: Co = 3.890 Reemplazando valores en la ecuación (1)  Qa = 0.55 (3.890) (6.845) (0.27)3/2 Qa = 2.05 m3/seg CUADRO N°14: COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN PARA PILAS 

Pilas de Tajamar cuadrado con esquinas

Kp = 0.02

redondeadas con un radio igual aprox. a 0.01 del espesor de la pila 

Pilas de Tajamar redondo

Kp = 001



Pilas de tajamar Triangular

Kp = 0.00

82

Descarga o Caudal en la Compuerta de Limpia “Qc” Considerando que esta compuerta funciona como vertedor cuya altura P = 0, tendremos: Qc = 0.55 CoL (Ho’)3/2. . . . . . . . . (2) Para hallar la longitud efectiva de la compuerta “L” empleamos la misma fórmula anterior y para L c = 0.75 (longitud neta de la compuerta) se obtiene: L = 0.75 – 2 (1) (0.01) ( 0.27 + 0.57) L = 0.74 En esta ecuación Ho’ = ho + 0.27, altura total del agua. El coeficiente de descarga variable tiene por valor: P = 0 , tenemos: Ho

Co = 3.10 Reemplazando valores en la ecuación (2) Qc = 0.55 (3.10)(0.74)(0.27 + 0.27)3/2 Qc = 0.5 m3/seg Sumando ambos caudales: Qa + Qc = 2.05 + 0.5 = 2.55 m3/seg Como este caudal no corresponde a nuestro caudal de avenida (1.95 m3/s), seguiremos tanteando con este procedimiento hasta aproximarlo.

El resultado del cálculo se da en el cuadro siguiente:

83

Ho 0.27

0.23

0.22

0.21

L(m)

Co

6.845

3.890

0.740

3.100

6.845

3.905

0.740

3.100

6.846

3.907

0.740

3.100

6.846

3.910

0.740

3.10

Qa(m3/seg) Qc(m3/seg) Qav(m3/seg) 2.05 0.5 1.620 0.45 1.52 0.43 1.42 0.42

2.55

2.07

1.95

1.84

De esto se deduce que la carga de diseño “ho” es : 0.22m Cálculo de las Coordenadas del Azud De acuerdo con la forma mostrada se relaciona con los ejes que pasan por la cima de la cresta, la porción que queda aguas arriba del origen se define como una curva circular compuesta y tangente. La porción de aguas abajo se define por la ecuación:

 X Y   K  Ho  Ho

n

  . . . . . . . . (3) 

En la que “k” y “n” son constantes que están en función de h o/Ho y de la inclinación del parámetro aguas arriba. Su desarrollo es como sigue: 1 Determinación del caudal Unitario “q” q=

Qma 1.52  L 6.846

 q = 0.222 m3/s/m 2 Velocidad de Llegada “Va” Va =

q 0,222  P  ho 0,27  0,22

84

 Va = 0,45 m/s 3 Carga de velocidad “ha” ha =

Va2 0.45 2  2 g 2 x 9,81

ha = 0,01 m 4 Determinación de “k” y “n”

Con la relación :

ha ha 0,01   = 0,043 H o ho  ha 0,22  0,01 y sabiendo que el parámetro aguas arriba es vertical, entramos en el ábaco y determinamos:  K = 0,508 n = 1,85 Reemplazando valores en (3) Y = - 1,772 X1,85 Perfil Creager COORDENADAS X

=

0,000

Y=

0,000

0,100

-0,025

0,200

-0,090

0,300

-0,191

0,400

-0,325

0,500

-0,491

0,600

-0,689

0,700

-0,916

0,800

-1,173

0,900

-1,458

1,000

-1,772

1,100

-2,114

1,200

-2,483

85

Para hallar los valores de Xc, Yc. R1 y R2 nos valemos de las gráficas mostradas en el anexo entrando con el valor 0,043 de (h/H) y talud vertical. Entonces:

Xc = 0,261 Ho

 Xc = 0.060 m

Yc = 0,107 Ho

 Xc = 0.025 m

R1 = 0,508 Ho

 Xc = 0.117 m

R2 = 0,21 Ho

 Xc = 0.048 m

Diseño del Resalto o Colchón Amortiguador Al pasar por encima del vertedero, el agua gana una altura H (determinada) con respecto al lecho de la quebrada, tanto aguas arriba como aguas abajo, la misma que podría causar socavamiento y erosión si es que “no se disipa la energía”. Con ese objetivo se formará el resalto hidráulico mediante una cuenca amortiguadora que trae como consecuencia que la alta velocidad al pie del azud se reduzca lo suficientemente para no causar daño. Esta también garantiza la estabilidad del azud aunque como en este caso el suelo de cimentación sea rocoso.

Fórmula de Merriam : h2 = 0.45

Q h1

Donde: Q = Caudal de agua sobre el azud por metro lineal (calculado 1:0.222 m3/s/m) h1 = Profundidad o espesor de la lámina vertiente al pie del azud. h2 = profundidad aguas abajo.

86

Para este cálculo efectuamos tanteos suponiendo un h, aproximado, si tomamos h = 0,7, la velocidad de caída será: 2 gh 

VC =

2 x 9,81 x 0,7

 Vc = 3.71 m/s El espesor de la lámina al pie del azud es: Q = A Vc = (h1 x 1) Vc h1 =

Q 0,222 = 0,06 m  Vc 3,71

La altura total del agua He sobre el lecho del río aguas arriba es: He = P + ho + ha = 0.27 + 0.22 + 0,01  He = 0,5 m

Por lo tanto, la profundidad de la cuenca o colchón será: He - h – h1 = 0,5 – 0,7 – 0,06 = -0,26 La profundidad aguas abajo será: (tomamos un tirante de aguas debajo de 0,22 m) h2 = 0,26 + Taguas abajo = 0,26 + 0,22 h2 = 0,48 De acuerdo con la fórmula de Merriam, el requerimiento de profundidad aguas abajo h2’ es: H2’ = 0,45 Q/ h1 = 0,45 x 0,200 / 0,06 h2’ = 0,45 m  h2’= 0,41 m< 0,48 m Esto quiere decir que “h2” debemos aproximarlo a “h2’” de tal forma de no sobre dimensionar el valor h. Haciendo el recalculo obtenemos. h = 0,62 m h2 = 0,404 m

87

h1 = 0,064 m La longitud de la cuenca “L” está dada por : L = 5(h2 – h1) = 5 (0,404 – 0,604)  L = 1,7 m La profundidad de la cuenca “S” será : S = h – ho – P = 0,62 – 0,22 – 0,27  S = 0,13 m El espesor “e” del solado está dado por: e = 0,60

H Q   g

1/ 4

Donde: e = espesor mínimo en metros. Q = caudal unitario

(0,222 m3/s/m)

H = carga hidráulica

(0.27 + 0.22 = 0.49 m)

Reemplazando datos:



Tomamos

e = 0,15 m

e = 0,133 m

El radio “r” de la curva al pie del Azud que desvía el agua hacia el lavadero del estanque amortiguador lo calculamos con la expresión: r = 5 h1 = 5 x 0,064  r = 0,32 m Las dimensiones del dentellón “t” y “d” serán de acuerdo a las siguientes

recomendaciones.

El valor de la longitud “t” será similar a la altura de cimentación. El valor del espesor “d” está entre 1 0y 20 % de la carga total del agua; según estos criterios se tiene:  t = 0,25 m

88

d = 820 %) (P + hO + Para V1 =

V12 ) 2g

Q 0,222 = 3,47 m/s (velocidad al pie del azud)  h1 0,064

tenemos: d = 0,20 (0,27 + 0,22 +

3,47 2 ) 2 x 9,81

 d = 0,22 m Tomamos d = 0,24 m La longitud del cimaceo “c” se obtiene después de construir el perfil Creager, con sus valores respectivos.  C = 0,90 m aproximadamente DIMENSIONAMIENTO DE LA COMPUERTA DE LIMPIA Longitud de la compuerta de limpia El dimensionamiento de la compuerta de limpia o barraje móvil, se lleva a cabo teniendo en cuenta que el área de la compuerta de limpia debajo de la cresta al aliviadero (A1) es 1/10 del área del aliviadero (A2) A1 =

1 A2 10

De la fórmula se deduce: Lc =

1 1 L= x 8.00 11 11

 Lc = 0.73 m Adoptamos: Lc = 0.75 m Usaremos una compuerta Plancha de fierro de 0,75 x 0,27g Dimensionamiento del pilar Es una estructura que separa el azud de la compuerta de limpia y para que sus efectos no disminuyan la longitud neta de la cresta,

su

parte

frontal

redondeada.

89

(tajamar)

adoptará

una

forma

Su radio se calcula mediante la siguiente ecuación: Lp = 0.282

ho = 0282 x 0,22

 Lp = 0.065 m Adoptamos: Lp = 0,40 m Donde el radio será: r =

Lp 2



0.40 2

 = r = 0,20 m La longitud de la pila debe abarcar el azud o cimacio, estanque amortiguador y el tajamar, por lo tanto, Tajamar

=

0.50 m

Azud

=

0.90 m

Estanque

=

1.70 m 3.10 m

 L = 3.10 m Dimensiones del muro de encausamiento

Por lo general, la longitud de los muros de encausamiento aguas arriba del azud depende de la topografía del proyecto, de acuerdo a las curvas de nivel se considera 4 m, resultando una longitud total de:

a)

Longitud del muro : Aguas arriba

= 4,00 m

Azud

= 0,90 m

Estanque

= 1,70 m

Longitud total del muro

6,60 m

b) Longitud de las alas De acuerdo a la topografía, tomamos una longitud promedio de 1 m

90

c) Altura del muro

H = 1,25 (ho + P) = 1,25 (0,22 + 0,27)  H = 0,61 m Tomamos H = 0,7 m

VENTANA DE CAPTACIÓN a) Altura de la Ventana de captación Una consideración técnica sobre el umbral o vano de la ventana de captación “Y1” sostiene que esta deberá estar a una altura no menor de 0,3 m del fondo del río, si como dato la cresta del azud es de 0,27 m, la altura “H” de la ventana será: H = P – Y1 H = 1,2 – 1,0

Considerando a Y1 = 1,0 m

 = 0,2 m

El ancho se determina con base al caudal que se desea ingresar en condiciones mínimas. Para caudales deben tomarse las medidas del caso para su regulación. El fondo de la zona de captación se elevará a: 0.1m con relación al fondo de la quebrada.

Caso 1: Caudal de ingreso para avenidas mínimas. Para un caudal de ingreso de 0,065 m 3/s, la ventana trabajará, como vertedero, entonces el ancho de la ventana “L” lo calculamos como tal: Fórmula del vertedero: Q=

2K u L 2 gH 3 3

Donde u = 0,65 m y H = 0.2 m

91

U = coeficiente de caudal adimensional (está comprendido entre 0,64 a 0,79) K = coeficiente de corrección debido a la rejilla (0,85)

L=

3Q 2 Ku 2 gH 3



3 x 0,065 2 x 0.85 x 0.65 x 2 x 9,81 x 0,2 3

 L = 0,45 m Reja De Admisión La ventana de captación irá provista de platinas (o barrotes) de aceros verticales que impiden la entrada de material flotante (troncos, árboles, ramas, palizada, etc.) y de piedras en turbulencia con tamaños mayores al espacio que hay entre barrotes. De acuerdo

a recomendaciones (ITDG, Manual de Mini y

Microcentrales Hidráulicas) se tomará una separación entre platinas de 5 cm y de las siguientes dimensiones: ½”x1½” (se adjunta hoja del catálogo de aceros Arequipa) largo: 0,2 + 0,2 = 0,4 m (se ha tomado 0.1 m a cada lado de empotramiento) con la introducción de las platinas para la reja de admisión redimensionaremos el ancho de la ventana. Número de espacios entre platinas: 0,45 =9 0,05

Número de platinas: Np = 9 – 1 = 8 platinas. Ancho total de la ventana: (1/2” es igual a 1.27 cm) 0,45 + 8 (0,0127 m) = 0,55 m

92

CASO 2: Caudal de ingreso pera avenidas máximas En este caso la ventana trabajará como orificio (es decir, como compuerta sumergida). Como ya están definidas las dimensiones de la ventana, se hallará el caudal máximo que ingrese: Q=

2 (2g)1/2 Cd.K. L (H13/2 – H23/2) 3

Donde: H1 : Carga con respecto a la base del orificio (0,42 m) H2 : Carga con respecto al tope del orificio (0,22 m) Cd : Coeficiente de descarga (0,76) L : Ancho de la ventana (0,55 m) K : coeficiente de corrección debido a la rejilla (0,85) Reemplazando tenemos :

Q=

2 (2x9,81)1/2 x 0,76 x 0,85 x 0,55 (0,423/2 – 0,223/2) 3  Q = 0,177 m3/s

la obtención de este caudal nos sirve para tomar las precauciones del caso en las obras de captación y anularlo mediante la ayuda de un vertedero lateral.

4.6.2. DISEÑO HIDRÁULICO DEL CANAL ENTRE LA VENTANA REGULADORA Y EL DESARENADOR

Datos: Caudal normal en el canal

: 0,065 m3/s

Caudal de avenida en el canal

: 0.177 m 3/s

Material concreto (no enlucido)

n = 0,0125

Talud

Z=0

Longitud

: 12 m

93

Asumiendo una velocidad de agua de 2 m/s y una sección cuadrada, este requerirá de una pendiente mayor, que en el caso de un canal rectangular de mayor ancho que profundidad, ya que es menos eficiente en términos de pérdidas por fricción, pero tiene la ventaja de ser más angosto y, por tanto, más adecuado de instalar allí donde el acceso es problemático.

A=Q/V= H= B=

0,177 = 0.0885 m2 2,00

A = 0,29 m

En este punto se conoce la dimensión de la sección transversal del canal. La pendiente del canal se calcula mediante:

P = B + 2 H = 0.87 m R=

A 0,084 = 0,096  P 0,87

R: Determina la pendiente (s) que se necesita para obtener la velocidad requerida. S : es la caída del canal por cada metro de longitud.

2

V   2,0    S =  n x 2 / 3    0,0125 x 0,0962 / 3   R  

2

 S = 0,014 Caída del canal

L x

S

=

12 x 0,014 = 0.168 m

Espesor de revestimiento: se le considera realizar el revestimiento, tanto en las paredes como en el fondo del canal, con concreto simple y un espesor de e = 5cm

e 0,29 m

0,29 m

94

4.6.3. CALCULO DE LAS DIMENSIONES DEL ALIVIADERO

El aliviadero de avenidas puede ser dimensionado en función a las dimensiones del canal (0,29 m x 0,29 m). La altura de la cresta del aliviadero (hv) medida desde el fondo del canal debe estar alineada con el nivel normal del agua, es decir que hv conducirá con el tirante de agua dentro del canal. Si tenemos una velocidad del agua de 2.0 m/s y un caudal normal Q en el canal, calcularemos de manera sencilla el área del agua del canal A=

Q 0,065 = 0,0325  V 2,0

Luego la altura del aliviadero hv se calcula por: hv =

A 0,0325 = 0,112 m  B 0,29

Caudal se rebase con la altura de carga (hc). considerando avenidas pequeñas antes Tomamos : 0,18 m La longitud del aliviadero (Lv) se halla a partir de la ecuación de vertedero estándar. Debe ser lo suficientemente largo como para permitir el paso de todo el que grandes. Tomemos un caudal de avenida pequeño de 110% de un caudal normal.

hv

H

B

Ecuación vertedero estándar: Q = Cw Lv (hc)3/2 Cw = 1.6 (coeficiente de descarga) Para un caudal de avenida de 10 % por encima del caudal normal. Q = 0,072 m3/s Luego, el tirante de agua en el canal es: 95

H=

Q 0,072 = 0,125 m  V x B 2,0 x 0,29

Tomamos: 0,2 m Luego la carga del vertedero es: 0,2 – 0,18 =0,02m Q a evacuar es = Q2 – Q1 = 0,072 – 0,065 = 0,007 m3/s Reemplazando valores en la fórmula: Q = Cw Lv (hc)3/2 0,007 = 1,6 Lv (0,02)3/2 Lv =

0,007 = 1,55 m 3/ 2 1,6 0,02

En la práctica es conveniente aumentar la longitud ya que por lo general es barato. Por consiguiente debemos establecer un aliviadero de 4 m de largo

4.6.4. DIMENSIONAMIENTO DEL DESARENADOR

Datos: Q = 0,065 m3/s

a) Profundidad

Seleccionamos un diámetro de partícula a eliminar.  d = 0,3 mm a las tablas Nº y 9 c = 0,0324 m/s y t = 25 s

Profundidad: h = ct = 0,0324 x 25 

h = 0,8 m Tomamos: 0,6 m

96

b) Ancho

Si seleccionamos una velocidad de 0,17 m/s tenemos: W=

Q 0,065 = 0,65 m  0,71 m  Vo h 0,17 x 0,6

c) Longitud: Para un factor de corrección “K” igual a 1,25 L=

KVo h 1,25 x 0,17 x 0,6  c 0,0324

 L = 3,93 m  5 m Ahora debemos verificar las dimensiones de acuerdo a los criterios anteriormente descritos.  de tiempos Por el criterio: t’ =

L 5,00  Vo 0,17

= 29 seg > 25 seg

Significa un desarenador sobredimensionado pero a la vez nos asegura longitud suficiente para la acumulación de sólidos.  Por el criterio de Volúmenes WhL  Qt (0,71)(0,6)(5,0)  (0,065)(25) 2.1  1,625 m3

......

Resumiendo las dimensiones del desarenador son:

Longitud

: 5,0 m

Profundidad Ancho

: 0,6 m

: 0,71 m

d) Cálculo de las Transiciones

Se calcula mediante la fórmula:

97

OK!

Le =

b2  b1 2tg 

;

Ls = 0,8 Le

Donde : b2 : Ancho del desarenador : 0,71 m b1 ancho o plantilla del canal: 0,29 m Lc : Longitud de la transición en la entrada. Ls : Longitud de la transición en la salida.  : Ángulo de divergencia. La U.S.B.R. recomienda:  < 12,5º: para estructuras donde las pérdidas de energía y remolinos deben reducirse al mínimo. Q < 25º: Para estructuras donde se puede perder energía tal es el caso de caída, rápidas, etc. (son más cortas que los anteriores).

Reemplazando valores: Le =

0,71  0,29 2 tg 10,0

 Le =1,16 m  1,18 m  Ls = 0,94 m  0,96 m

4.6.5. TUBERÍA

DE

PVC

PARA

ENTRE DESARENADOR Y

Se

considera

instalar

una

REEMPLAZAR

CANAL

CÁMARA DE CARGA

tubería

de

PVC

entre

el

desarenador y la cámara de carga porque el terreno en esta parte no es apto para la construcción de un canal.

Diseño de tubería Q = 0,065 m3 /s

L = 500 m

98

Tomamos una tubería de PVC, de la tabla de tubos de PVC, seleccionamos una tubería de 10” para desagüe y alcantarillado, según norma técnica peruana: NTP-ITENTEC 399-003. tiene un diámetro interno de 264,2 mm. Se adopta un valor de rugosidad de 0,003 mm para tubería de PVC. Luego:

e 0,003   0,00001 D 264,2

La velocidad media es: V 

4Q 4 x0,065  2 D x0,2642

 V = 1,19 m/s

Esto da un número de Reynolds de:

Re 

VD





1,19 x0,2642 10 6

 Re = 3,1x105   viscosidad cinemática del agua 10-6 m2/s

El factor de fricción se lee en el diagrama de Moody (ver anexo) f = 0,0143

Pérdida primaria Calculamos la pérdida de carga debida a la fricción de la pared en la tubería.

Hf 

fLV 2 0,0143x520 x1.192  Dx2 g 0,2642 x2 x9,81

 Hf = 2.03 m

Pérdidas secundarias:

99

a) Pérdida de carga en el ingreso a la tubería:

He 

KeV 2 2g

Ke : coeficiente de entrada, depende de la forma de la admisión a la tubería

(Ke =0,5 fig. 3.37 del manual ITDG, ver anexo)

0,5 x1,192 He   0,036m 2dx9,81

b) Pérdida de carga en codos:

Hc 

KcV 2 2g

Hc = 0.4 Pérdidas secundarias totales:

a +b Hs = 0.036 + 0.4 = 0.436

Pérdida de carga total

:

H p + Hs = 2.03 + 0.436 = 2.466

m.

Entonces la pendiente es

: s = H / L = 2.466/520 = 0.0047 = 0.47%

4.6.6. DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE CARGA

a) Tanque de Regulación Longitud del tanque: L = 7.8 Q0,45 Ancho del tanque: B = 1,7 Q0,44 Profundidad del agua en la entrada: he = 0,96 Q0,44 Profundidad del agua al final: hs = 1,86 Q0,44

100

Para nuestro usaremos las ecuaciones anteriores para un caudal de diseño de 0,065 m3/s: L = 2,28 m B = 0,51 m he = 0,3 m h5 = 0,56 m Ahora verificamos la velocidad máxima en el tanque: V=

Q 0,065 = 0,42 m/s (debe estar entre 0,2  0,5 m/s)  B. he 0,51 x 0,3

 V = 0,42 m/s ...................

OK!

Y tomamos como longitud 2,3 m

b) Aliviadero de Excedencia

El aliviadero de la cámara se diseña para las condiciones más desfavorables, es decir, cuando la turbina deja de funcionar, por lo cual el caudal a evacuar es 0,065 m3/s. Forcheiner propuso : Qs =

2 Ku (2g)1/2 Lh3/2 3

Donde: K: coeficiente de vertedero, para vertedero lateral 0,95 U : coeficiente de gasto, depende de la forma y altura de vertedero. Para canto afilado, u = 0,64 h : altura de carga en el vertedero, mínimo 10 cm (tomamos h= 0,12 m) L : longitud del vertedero Qs : caudal máximo: QS = Q + 0,15 Q Por lo tanto Qs = 1,15 Q

101

Qs = 1,15 (0,065)  Qs = 0,075 m3/s

Reemplazando valores: L=1m

c) Cámara de presión Es la estructura donde se inicia la tubería de presión, se ensancha y para evitar la entrada de sólidos se calcula un vertedero sumergido a la entrada. Lo más importante es calcular su longitud y la altura mínima de agua (h) sobre la tubería de presión: Fórmula: Lc = 2.11 Q0.33 = 2,11 x 0,0650,33  Lc = 0,86 m Tomamos: 0,9 m Para la altura mínima se debe tener en cuenta que si h<3D, existe peligro de entrada de aire a la tubería, lo cual afecta la eficiencia de las turbinas, además se recomienda que para pequeñas centrales hidroeléctricas “h” no debe ser menor a 1 m. En cálculos posteriores se ha obtenido un diámetro de la tubería de presión “D” a la salida de la cámara de carga de 0,1558 m. Por lo tanto 3d = 3 x 0,1558 = 0,5 m Tomamos: 1 m la rejilla a la entrada de la cámara de presión se coloca en ángulo que depende de la forma en que se efectúe la limpieza:  = 50º - 55º limpieza manual  = 70º - 76º limpieza mecánica.

En pequeñas centrales hidroeléctricas la limpieza es manual.

102

La separación entre las platinas depende del tipo de turbina así por ejemplo: Turbina Pelton : 65 – 20 mm Turbina Francis : 100 – 32 mm Turbina de Hélice: 200 – 50 mm

d) Longitud de Transición: Le =

b2  b1 2 tg

Donde: b1 : ancho de la cámara de carga 0,51 m b2 : ancho o plantilla del canal 0,38 m  = 12,5º

Le =

0,51  0,29 2 x tg 12,5

 L e = 0,5 m

4.6.7. DISEÑO DE LA TUBERÍA FORZADA a. Determinación del diámetro Líneas arriba se ha mencionado que en el cálculo del diámetro económico intervienen diversas variables cuya evaluación analítica más refinada es muy tediosa, pues muchas de ellas son inciertas, tal es así que depende de su existencia en el mercado con precios que fluctúan con frecuencia, por este motivo se ha desarrollado algunas fórmulas que son suficientemente exactas para un buen diseño. D = (0.085 Q3)1/7 Donde: Q : Caudal de diseño, 0.065 m3/s. D : Diámetro económico. D = [0.085(0.065)3]1/7

103

D = 0.218 m. Tomamos: D = 9” (0.23 m) Este valor lo consideramos como base para nuestro diseño y con el verificamos

que

la

velocidad

se

encuentre

en

el

rango

recomendado (2-6 m/s)

V 

4Q 4 * 0.065  D 2  * 0.232

V = 1.56 m/s.

.....no cumple.

Tomamos una tubería de PVC según los diámetros comerciales de tuberías de alta presión, seleccionamos una tubería de 6” clase 7.5 que según normas soporta 108m. de columna de agua (105 lb.) y tiene un diámetro interno de 155.8mm y espesor de 6.1 mm.

V

4Q 4 * 0.065  2 D  * 0.15582

V = 3.4 m/s. Golpe de Ariete. Las variaciones de carga en las turbinas, motivo por el cual u debido a la acción de los reguladores, se cierra o abre el distribuidor, son la causa de variaciones en el caudal que circula por la tubería forzada, y por consiguiente de la velocidad del agua. Ello origina sobre presiones ó depresiones que a manera de ondas se comienzan a propagar a lo largo de toda la tubería hasta llegar al reservorio que tiene una superficie libre generándose una onda reflejada la que empieza a oscilar de extremo a extremo de la tubería que ha consecuencia de los rozamientos y vórtices se van amortiguando. El Golpe de Ariete como se comprende, tiene influencia sobre la tubería y es tanto mayor cuanto más rápido es el cierre del distribuidor, por ello es necesario conocer el valor de la sobre presión en función del tiempo de cierre para calcular el espesor de la tubería. 104

Este fenómeno fue estudiado por Allievi y su teoría comprende todos los factores que intervienen en el golpe de Ariete. La propagación de las ondas a lo largo de la tubería se realizan con una velocidad llamada celeridad “a”. c

a

1

 D E e

Donde: C : Velocidad del sonido en el agua (1420 m/s) Ε : Módulo de elasticidad volumétrica del agua (2x108 Kg/m2) E : Módulo de elasticidad del material de la tubería (Kg/m2) D : Diámetro de la tubería en (m) E : Espesor de la tubería (m) A : Celeridad (m/s) Si la longitud de ls tubería es “L” y la celeridad es “a”, el tiempo que tarda la onda de sobre presión en llegar al reservorio es de L/a, el tiempo total de recorrido llamado periodo “T” es:

T

2L a

La magnitud de la sobre presión es función del tiempo d4e cierre del distribuidor “Tr”, el cual se estudia para dos condiciones: - Para golpe de ariete con cierre brusco, es decir cuando “Tr” es menor o igual que el necesario para que la onda que parte del distribuidor vuelva a éste.

T

2L a

Se considera cierre brusco cuando Tr  1 seg. - Para Golpe de Ariete con cierre lento, cuando “Tr” se efectúa en un tiempo mayor que “T”.

T

2L a

Se considera cierre lento cuando Tr › 2 seg.

105

Con cierre rápido la presión máxima es más alta y el espesor deberá ser mayor, y obviamente con un costo mayor, por lo que se recomienda que el diseño se realice para la segunda condición. El tiempo relativo de cierre “θ” tiene por valor:



Tr T



aTr 2L

Por otra parte, Allievi determinó un valor”ρ” denominado número de Allievi que se define como la relación entre la energía cinética unitaria y la energía potencial unitaria.



aV 2 gH

Donde: A : Celeridad (m/s) V : Velocidad del agua (m/s) g : Aceleración de la gravedad (m/s2) H : Altura bruta (m). Presión estática sobre el distribuidor. Si : - ρ ≤ 1, el valor de la sobre presión esta dada por :

P  2BH - ρ > 1 ó 1.5 tenemos :

P 





1 2 B  B 4  B2 H 2

El signo (+) corresponde a la reducción del caudal (sobre presión)y el signo (-) al aumento del caudal (depresión) , además :

B

 

B

L.V g.H .Tr

CÀLCULO: - Material: PVC - Longitud de la tubería de presión : 95.1 m. - Altura bruta: 53 m. Asumiendo un Tr = 2.5 seg. Y para ρ > tenemos:

106

95.1x3.4 L.V = = 0.25 9.81x53x 2.5 g.H .Tr

B

P 









1 2 1 B  B 4  B2 H = 0.252  0.25 4  0.252 53 2 2

ΔP = 15 mca

P 15   28.3 % ...OK! H 53 Presión total que soporta la tubería. P = H + ΔP = 53+15 = 68 m. Celeridad: c

a 1

=

 D E e

1420 2.1x106 0.1558 1 2.8 x106 0.0061

 a  316.3 m/s Verificación: Periodo (cierre lento T < Tr)

T

2L = a

2x95.1 = 0.6 seg. 316.3

 T < 2.5 seg. ... OK! Número de Allievi (ρ > 1)



316.3x3.4 aV = = 1.04 .... OK! 2 x9.81x53 2 gH

Resumiendo las características del conductor forzado : D : 0.1558 m. E : 6.1 mm. P : 6.8 kg/cm2 Tipo de unión : espiga campana.

Cálculo de pérdidas en el sistema hidráulico. El salto o caída útil aprovechable para su transformación de energía mecánica por las turbinas, es menor que el salto real, es decir, el medido en la superficie de agua en la cámara de presión y la salida al final de la tubería. Ello es debido a las distintas pérdidas

107

de carga que se producen a causa de la circulación del agua por las tuberías y por sus accesorios. Por esta razón en cada elemento se obtiene una pérdida de carga y la suma de todas dará una altura, en metros de agua, que habrá de restar del salto bruto para obtener el efectivo. H = Hp + Hs Hp : Pérdida de carga primaria a lo largo de la tubería producida por el rozamiento de capas de fluido y en el contacto del fluido con la tubería. Hs : Pérdida de carga secundaria producida en los accesorios. Para tuberías largas llegan a ser despreciables respecto a las primeras. En este caso consideramos estudiar a las producidas en los cambios de dirección (codos). H : Pérdida de carga total (m).

Pérdidas primarias:

Hp 

fLV 2 2 gD

Donde: L : Longitud del tramo de tubería V : Velocidad del fluido

(95.1 m)

(3.41 m/s)

D : Diámetro de la tubería

(0.1558 m)

e : Rugosidad absoluta. Para tubería de PVC (0.003 mm) (0.065 m3/s)

Q : Caudal de diseño

F : Coeficiente de carga primaria (factor de fricción) Rugosidad relativa :

e 0.003   0.00002 D 155.8 Reynolds (Re)

: Re 

VD





3.4 x0.1558 10 6

 Re = 5.3x105   viscosidad cinemática del agua 10-6 m2/s

108

En el diagrama de Moody : Entonces:

Hp 

f = 0.012

fLV 2 0.012 x95.1x3.42 = 2 gD 2 x9.81x0.1558

 Hp = 4.1 m.

Pérdidas secundarias: a. Pérdidas de carga en rejilla:

e Hr     d 

4

3

sen  V

2

2g

Donde: β : Coeficiente que depende de la forma de la reja (para reja de sección rectangular β=2.42 ,pag. 61 Centrales Hidroeléctricas – Zoppetti) e : Espesor de la reja (se ha considerado usar platina de 3/16” de espesor) d : Distancia entre platinas ( 2 cm.) θ : Inclinación dela rejilla (θ= 48º, ver plano 05) V : Velocidad del agua antes de la rejilla (V =0.42 m/s) Efectuando tenemos: Hr = 0.0026 m. b. Pérdidas de carga en el ingreso a tubería de presión:

He 

KeV 2 2g

Ke : Coeficiente de entrada, depende de la forma de la admisión a la tubería (Ke = 0.2, para forma redondeada, pag. 97 ITDG, ver anexo) V : Velocidad del agua en tubería de presión (3.4 m/s) Efectuando tenemos: He = 0.11 m c. Pérdida de carga en codos:

109

Hc 

KcV 2 2g

Kc : Coeficiente que depende del valor del ángulo del codo Α

20

40

60

80

90

100

120

140

Kc

0.046

0.139

0.364

0.74

0.984

1.26

1.861

2.481

Para un ángulo de 45 : Kc = 0.195 Hc 

0.195 x3.4 2 2 x9.81

Hc = 0.11 m. El cálculo para los demás codos se resumen en el siguiente cuadro.

CALCULO DE PERDIDAS EN CODOS curva (α) variable

30

45

Velocidad (m/s)

3.4

3.4

Coef. Pérdidas Kc

0.092

0.195

Pérd. Carga sec. (m)

0.05

0.11

Suma de pérdidas en codos: ∑ Hc = 0.05 + 0.11 = 0.16 m. d. Pérdida de carga en válvulas:

Hv 

KvV 2 2g

Hv : Coeficiente que depende del tipo de válvula (para tipo mariposa y considerando totalmente abierta Kv = 0.3, pag. 97 del manual de ITDG) V : Velocidad del agua (3.4 m/s)

Efectuando tenemos:

Hv = 0.17 m.

110

Pérdidas secundarias totales: a + b + c + d Hs = 0.44 Pérdida de carga total:

Hp + Hs = 4.1+0.44 H = 4.54m

La caída neta es:

Hneta = Hbruta - H = 53 – 4.54 = 48.46 m.

4.6.8. APOYOS Y ANCLAJES La tubería de PVC estará enterrada, pero será necesario

un

anclaje a la salida del enterramiento y apoyos para llegar hasta la casa de máquinas. En los cambios de rasante y en los cambios de sección es conveniente colocar macizos de anclaje que sirvan para contrarrestar los esfuerzos que se producen en la tubería. Los macizos de anclaje se construyen generalmente con hormigón en masa y cubren totalmente a la tubería.

Los apoyos tienen las mismas características de los anclajes, es decir, también son bloques de concreto cimentados en el terreno, los cuales suelen llevar en su parte superior una plancha de acero curvada (que abarca a la tubería en un ángulo de 120º) y empotrada en los mismos para que pueda deslizarse el tubo con el menor esfuerzo de rozamiento.

4.6.9. SELECCIÓN DEL GRUPO HIDROELÉCTRICO La selección final del grupo hidroeléctrico en su conjunto ha sido efectuada por el fabricante para lo cual se le proporcionó los siguientes datos del proyecto: - Caída bruta. - Caída neta. - Caudal nominal. - Altura de instalación sobre el nivel del mar. - Conducción de agua hasta la turbina.

111

. Longitud de tubería. . Datos de tubería. - Modo de operación del sistema (interconectado o aislado)

En respuesta a esta solicitud se recomendó preliminarmente la siguiente configuración: - Altura neta

= 48.5 m.

- Caudal nominal

= 0.065 m 3/s

- Una Turbina Michell Banki. - Eje horizontal. - velocidad de giro

= 1200 RPM

- Potencia del eje

= 32 Kw

- Potencia en bornes del generador = 30 Kw = 37.5 KVA, para cosØ=0.8 - Tensión

= 440/220 VAC

- Frecuencia

= 60 Hz

Como se observa, del aprovechamiento de la energía hidráulica disponible en la zona se obtiene una potencia aproximada en bornes de 30 Kw. Esta central constará de una sola unidad.

Para la cotización final, el fabricante también proporcionó el siguiente suministro: - 01 Turbina Pelton de eje horizontal. - 01 Válvula Principal. - 01 Sistema de Acoplamiento Turbina –Generador. - Un Alternador sin Escobillas. - 01 Gobernador de Velocidad. - 01 Tablero de Control, Protección, medición y equipos de maniobra correspondientes en 220 V.

112

4.6.10.

TABLERO DE CONTROL

Son cajas metálicas de confección tipo mural o autosoportado sobre el alternador. Contiene los instrumentos de medición, maniobra, control y protección de la turbina, alternador y demás equipos de la central hidroeléctrica. Dentro de los principales instrumentos de medición con los que contará el tablero, se encuentran: - Amperímetro - Voltímetro y su conmutador voltimétrico - Frecuencímetro - Medidor de energía activa - Horómetro - Cosfímetro - Vatímetro - Sincronoscopio Equipos de seccionamiento y maniobra, tales como: - Interruptor principal - Ajustador de tensión Equipos de protección: - Relé de mínima tensión - Relé de sobre velocidad - Relé de sobre corriente - Relé de sobre tensión - Relé de sobre carga - Relé de potencia inversa Equipos de señalización - Lámpara equipo generando - Lámpara alarma mínima tensión - Lámpara alarma sobre frecuencia - Lámpara alarma sobre corriente - Lámpara alarma baja velocidad - Lámpara alarma sobre tensión

113

- Lámpara alarma potencia inversa - Lámpara alarma sobrecarga

4.6.11.

EQUIPO CONTRA INCENDIOS

a. Protección contra incendios: En instalaciones grandes e importantes loe equipos que contengan materia combustible deberán ser distribuidos en ambientes separados mediante paredes incombustibles con el fin de reducir el peligro de propagación del incendio.

b. Materiales y Equipos Extintores: Dada la importancia de las instalaciones eléctricas se deberá usar equipos extintores con capacidad suficiente para apagar incendios menores y localizados. Entre los materiales usados respecto a ello, figuran:

Ácido Bórico: Es utilizado pulverizado y bajo presión de CO 2 en extintores destinados a sofocar incendios de aislamiento y aceites. Este polvo no es conductor, no es venenoso y puede usarse para extinguir incendios de instalaciones bajo tensión eléctrica. Comercialmente se designa al ácido bórico pulverizado, como “Polvo Químico Seco”

Anhídrido Carbónico (CO2) El “CO2” es usado en incendios de máquinas rotativas y sitios cerrados. Si es aplicado en lugares abiertos deberá ser descargado cerca y en la base de las llamas.

114

Arena Es utilizada principalmente para formar diques separadores, previniendo se extienda el aceite inflamado y/o para extinguir el incendio de este último.

Agua con ingredientes productores de espuma Las mezclas de agua con ingredientes productores de espuma, contenido en algunos extintores, son suficiente para extinguir aceite incendiado.

Agua Deberá ser usada con sumo cuidado en la cercanía de equipos eléctricos, y solamente para enfriar las partes afectadas en un incendio ya apagado. Sólo se utilizará para extinguir incendios eléctricos cuando sea aplicado a través de toberas de pulverización. Para Microcentral Hidroeléctrica de San Antonio se deberá suministrar extintores manuales de CO2, y polvo seco para la protección de las máquinas eléctricas de la casa de máquinas.

INSTALACIONES ELÉCTRICAS GENERALES En el presente acápite se describen los principales sistemas y se resumen los criterios que se utilizaron para determinar las características de las instalaciones eléctricas de la central; estos toman en cuenta sobre todo el grado de simplicidad con miras a reducir costos y simplificar las maniobras en condiciones normales y de emergencia.

115

Sistema eléctrico principal Se señalan los principales criterios en que se basaron para determinar el tipo de esquema de conexión.

a. Potencia, número y tensión de los alternadores En función del aprovechamiento hidráulico se obtuvo la potencia total de la central y, en función de la demanda eléctrica y la seguridad y la confiabilidad en el suministro de la energía, se fijó el tamaño característico de la máquina en el sentido de utilizar una sola unidad. Se usará una unidad de 30 Kw, 220V.

b. Capacidad, número y tensión de la línea de salida La línea deberá ser capaz de transportar la totalidad de potencia requerida por la carga a alimentar, Localidad San Antonio de la Capilla. La tensión se determinó en función a la distancia que existe entre la central y la carga más alejada, estableciéndose un nivel de 22.9/13.2 Kv, valor que viene siendo muy empleado en estos tipos de proyectos del sector rural. Por otra parte, en razón a la ubicación de las cargas, es suficiente contar con un solo circuito para suministrar potencia a las cargas en dicha localidad.

c. Importancia de la central La futura microcentral de San Antonio servirá a un sistema eléctrico aislado, siendo la única, constituye asignarle una importancia relativa a ello, pues cubrirá en todo momento los requerimientos de máxima demanda del área geográfica de influencia. SISTEMA ELÉCTRICO DE SERVICIOS AUXILIARES El criterio de su conexión se basa de acuerdo a la potencia y naturaleza de la central, su modo de trabajar. Las fuentes de

116

energía eléctrica disponibles y la importancia de los equipos que prevén para los servicios esenciales y no esenciales.

Para este caso se contará con el transformador de potencia de 50 KVA , relación de transformación 0.38 -0.22 / 13.2 KV .

La disposición de las barras, interruptores y demás equipos para la alimentación de los servicios auxiliares se proyectan, miras ala seguridad y disponibilidad a bajo costo. Sistema eléctrico de corriente continua Este sistema se diseña bajo el criterio de seguridad, utilizando para tal fin un equipo de rectificación de corriente (CA-CC), que alimentan a unas barras sencillas para el funcionamiento de los distintos equipos de operación, protección, control y supervisión (relés, aparatos registradores, etc.) de las unidades y equipos en condiciones normales.

En caso de emergencia un banco de baterías alimentará a un equipo de alumbrado de emergencia.

Sistema eléctrico de protección Es un sistema de protección integral, con relés protectores y modernos de acción veloz el mismo que se diseña bajo el criterio de selectividad, es decir los relés deben operar en zonas discriminadas a fin de obtener una máxima confiabilidad en materia de seguridad.

Sistema eléctrico de medición Además

De

los

elementos

citados

anteriormente,

en

las

conexiones de la casa de máquinas se encuentra otros dispositivos que conformarán el sistema de medición, ellos están conformados por los instrumentos indicadores y registradores (voltímetros,

117

amperímetros, cosfímetros, vatímetros, etc.). Debido a que estos aparatos de medida, no están construidos para soportar grandes tensiones ni grandes corrientes, se instalaran transformadores de tensión y de corriente; la potencia de estos transformadores está supeditada a la cantidad de instrumentos a instalar. Tanto

los

voltímetros

funcionamiento

como

electromagnético

los y

amperímetros se

usarán

serán

de

instrumentos

comerciales de 110 voltios y 5 amperios respectivamente.

4.6.12.

CUARTO DE MÁQUINAS

Las aguas transportadas llegaran hacia un Cuarto de Máquinas, accionando las turbinas y poder generar la energía. Se dispone de un ambiente para las turbinas, con un dormitorio y un baño para el personal encargado del funcionamiento de los equipos.

CANAL DE RESTITUCIÓN Permitirán que las aguas turbinadas vuelvan a la quebrada de origen, con el objeto de seguir conservando sus características y evitar en lo posible un Impacto Ambiental negativo.

CAPITULO V: CONCLUSIONES

En la presente tesis se ha llegado a las siguientes conclusiones: -

La topografía del lugar es ondulada y accidentada de fuerte pendiente, con presencia de vegetación propia de la sierra.

-

Se ha determinado que el caudal de diseño de las estructuras de captación y conducción

es de 0.065 m3/s y de acuerdo al aforo

realizado se determinó una máxima avenida de 1.95 m3/s. -

La demanda eléctrica determinada para un periodo de 20 años , con una potencia de 30 Kw, considerándose un caudal de diseño de

118

0.065 m3/s y una altura de caída de 48.5 m, para una población beneficiada directa de 729 habitantes entre habitantes. -

Las obras civiles y equipo electromecánico considerados son: -

Para la bocatoma con un caudal de 1.95 m3/s, consideradas son una

Bocatoma ubicado en la cota 3005 msnm con un

ancho de quebrada de 8.00 m y longitud de barraje de 6.85 m y muros de encauzamiento de 0.70 m de altura. El desarenador se ha diseñado para un caudal de 0.065 m3/s con una longitud de 5m y ancho de 0.7 m y profundidad de 0.60m. La ventana de captación de 0.55*0.17 m2. -

Cámara de carga de sección cuadrada de 0.51m de lado por 1.00 m de altura.

-

La tubería de Presión que por el material que lo compone, estar formado por dos tramos: Tramo N· 01 de tubería de POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE) de 10” de diámetro en una longitud total 95.1 m, que es la que parte desde la cámara de carga a la casa de fuerza, donde hace empale a con una tubería de acero. Y Tramo N· 02 de tubería de acero comercial de 6” de diámetro en longitud total de 108 m., este tramo es muy importante porque es el que soportará la presión final y la entrega a chorros a la paletas de la turbina, pudiendo sufrir deformaciones por lo que es de acero.

-

Casa de Máquinas cuya función es albergar las máquinas de generación eléctrica.

-

La Turbina tipo Pelton con Ns =20 .De acuerdo a los cálculos hidráulicos realizados se considera un rotor de 500 mm de diámetro de paso con 01 inyector, desarrollando velocidad nominal 450 RPM.

119

CAPITULO VI: RECOMENDACIONES En la presente tesis se considera las siguientes recomendaciones -

Considerar otras estructuras de captación

como bocatomas

sumergidas por el material de arrastre de la quebrada de la zona de Corongo. -

Ampliar el estudio de mercado eléctrico considerando la cantidad de material de arrastre de las quebradas de la zona.

-

Realizar

el

levantamiento

topográfico

considerando

otras

alternativas para ganar más altura y lograr una mayor potencia hidráulica.

120

-

Tener los criterios adecuados para el diseño de las obras hidráulicas considerando las recomendaciones técnicas en las dimensiones de estas.

-

Conocer las realidades de los pueblos más aléjanos para plantear soluciones prácticas para mejorar su situación económica, social y cultural.

CAPÌTULO VII: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 

Graciela Prado R. ESTUDIO DE SCLING UP EN MICRO CENTRALES

HIDROELECTRICAS,

LIMA

2006 

Máximo Villón Béjar, HIDRÁULICA DE CANALES, Primera Edición, Costa Rica, Ed. Tecnológica de Costa Rica,1995.



Olade,

MANUAL

DE

MINI

HIDRÁULICAS

–

Y UNA

MICROCENTRALES GUÍA

PARA

DESARROLLO DE PROYECTOS, Perú.

121

EL



Torres Herrera, OBRAS HIDRÁULICAS, Editorial Limusa, Mexico, 1994.



Tsuguo

Nozaki.

GUIA

PARA

LA

ELABORACION

DE

PROYECTOS DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROLECTRICAS

DESTINADAS

A

LA

ELECTRIFICACION RURAL DEL PERU,1980. 

Vega G. Carlos. CENTRALES ELÉCTRICAS, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, 1994.

122

ANEXOS

123

PLANOS

124

CUADRO Nº 13: PROYECCIÓN DE DEMANDA ELÉCTRICA CENTRO POBLADO DE LLOPISH Centro poblado: Llopish Distrito: Corongo Provincia: Corongo Departamento: Ancash Año Población Nº Viviendas C.E Abon. Domest. I.A.C. Abon. comerc. CUDAP (Kwh) CDAP (Mwh) I.C.C CUC (Kwh) C.C (Mwh) k CDAP+CC (Kwh) CI (Mwh) Cesp. (Mwh) CT (Mwh) f.c. MD (Mwh)

2014 2015 2016 436 447 459 73 75 77 0.4 0.41 0.42 29 31 32 13 13 13 2 2 2 220.11 223.10 226.18 6.40 6.81 7.27 0.8 0.8 0.8 176.09 178.48 180.95 0.352 0.357 0.362 1.2 1.198 1.195 6.750 7.171 7.629 0.675 0.717 0.763 0.203 0.215 0.229 9.15 9.71 10.30 0.25 0.255 0.26 4.18 4.35 4.52

2017 471 79 0.43 34 13 3 229.23 7.74 0.8 183.39 0.550 1.193 8.288 0.829 0.249 11.17 0.265 4.81

2018 483 81 0.44 36 13 3 233.28 8.40 0.8 186.62 0.560 1.19 8.958 0.896 0.269 12.05 0.27 5.09

Tasa Crec. Pob.: Índice Hab/Viv: Año Proyección:

2.60% 6 20

2019 495 83 0.45 37 13 3 235.24 8.73 0.8 188.19 0.565 1.188 9.298 0.930 0.279 12.48 0.275 5.18

2021 2022 2023 2024 522 535 549 563 87 89 92 94 0.47 0.48 0.49 0.5 41 43 45 47 10.6 9.4 8.2 7 4 5 5 7 241.49 244.50 247.61 250.68 9.87 10.46 11.10 11.76 0.8 0.8 0.8 0.8 193.19 195.60 198.08 200.54 0.773 0.978 0.990 1.404 1.183 1.18 1.178 1.175 10.647 11.443 12.092 13.165 1.065 1.144 1.209 1.316 0.319 0.343 0.363 0.395 14.23 15.26 16.10 17.48 0.285 0.29 0.295 0.3 5.70 6.01 6.23 6.65

2020 508 85 0.46 39 11.8 3 238.32 9.28 0.8 190.65 0.572 1.185 9.854 0.985 0.296 13.19 0.28 5.38

Curva de Energía Y = 88.1418 X 0.2716

2025 578 96 0.51 49 7 7 253.84 12.47 0.8 203.07 1.421 1.173 13.892 1.389 0.417 18.41 0.305 6.89

Factor de Perdida: 20% ~ 15% Factor de Carga: 0.25 ~ 0.35

2026 593 99 0.53 52 7 7 258.29 13.53 0.8 206.63 1.446 1.17 14.976 1.498 0.449 19.80 0.31 7.29

2027 2028 608 624 101 104 0.54 0.56 55 58 7 7 8 8 261.37 265.84 14.30 15.48 0.8 0.8 209.10 212.67 1.673 1.701 1.168 1.165 15.975 17.184 1.598 1.718 0.479 0.516 21.08 22.62 0.315 0.32 7.64 8.07

2029 640 107 0.57 61 7 9 268.96 16.35 0.8 215.17 1.937 1.163 18.289 1.829 0.549 24.04 0.325 8.44

2030 657 110 0.59 65 7 9 273.43 17.67 0.8 218.75 1.969 1.16 19.634 1.963 0.589 25.74 0.33 8.90

2031 2032 674 692 112 115 0.60 0.61 67 70 7 7 10 10 276.60 279.84 18.64 19.69 0.8 0.8 221.28 223.87 2.213 2.239 1.158 1.155 20.855 21.926 2.086 2.193 0.626 0.658 27.29 28.62 0.35 0.34 8.90 9.61

2033 710 118 0.63 74 7 11 283.70 20.99 0.8 226.96 2.497 1.153 23.491 2.349 0.705 30.61 0.345 10.13

2034 729 122 0.64 78 7 11 287.55 22.36 0.8 230.04 2.530 1.15 24.890 2.489 0.747 32.34 0.35 10.55