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paso a paso del diseño de una bocatoma...

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Diseño de estructura de sistema de captación y desarenador

Juan Carlos Russi Orozco Felipe Gonzales Ramirez Ivan Alejandro Cairasco Rivas Sergio Ceballos Osorio Grupo 2

Docente: Ing. Daniel Lerma A

Universidad Libre Ingeniería Civil Acueductos Pereira 2019 1

Tabla de contenido Pag 1. Objetivos 1.1. Objetivo general 1.2. Objetivos específicos 2. Nomenclatura 3. Metodología 3.1. Diseño bocatoma 3.2. Diseño desarenador 4. Resultados 4.1. Cálculos bocatoma 4.2. Cálculos desarenador 5. Conclusiones 6. Anexos

3 3 3 4 6 6 11 14 14 16 18 19

2

1 Objetivos 1.1 Objetivo General Diseñar los planos de la bocatoma y desarenador con sus respectivos elementos basándose en lo aprendido en clase y que cumpla con la normativa colombiana RAS 2017.

1.2 Objetivos específicos    

Calcular todos los datos matemáticos necesarios para tener un diseño exacto. Proyectar los datos obtenidos en un diseño para obtener como resultado final unos planos bien estructurados. Entender el funcionamiento y proceso de los diseños elaborados Emplear los métodos aprendidos en clase, para la realización del trabajo

3

2 Nomenclatura                                        

Qrío: Caudal del rio Qdis: Caudal de diseño QMD: Caudal máximo diario Qmd: Caudal medio diario Dneta: Dotación neta Dbruta: Dotación bruta Tuc: Tiempo último censo Tci: Tiempo del censo inicial Puc: Población último censo Pci: Población censo inicial Tf: Tiempo final r: Tasa de crecimiento Lc: ancho del cauce Vrio: Velocidad del río H: Profundidad del agua sobre la presa (m) Xs: Alcance filo superior B: Ancho del canal de aducción o ancho del desarenador a: Separación entre barrotes de la rejilla b: Diámetro de barrotes de la rejilla k: Coeficiente de 0.9 para flujos paralelos a la sección Vb: Velocidad del agua entre barrotes (max: 0.2m/s para disminuir el arrastre de solidos a la rejilla) An: Área neta de la rejilla Lr: Longitud de la rejilla ho: profundidad aguas arriba he=hc: Profundidad aguas abajo i: Pendiente del canal Vc: Velocidad de la cámara BL: Borde libre P: Perímetro R: Radio hidráulico Qcaptado: Caudal a través de la rejilla C: Coeficiente de descarga (0.3) Hexc: Altura de excesos Vexc: Velocidad de excesos L: Longitud desarenador D: Diámetro encontrado Dn: Diámetro nominal (basado en el cumplimiento del diámetro encontrado) Dparticulas: Diámetro de las partículas A2: Área de la compuerta de la evacuación de lodos VH: Velocidad horizontal 4

       

Vs: Velocidad de sedimentación As: Área del sedimentador Ao: Área total de los orificios Vo: Velocidad en los orificios Darena: Densidad de arena (valor relativo) Dagua: Densidad del agua (valor relativo) µ: Viscosidad absoluta del agua Vv: Velocidad del vertedero

3. METODOLOGIA 5

Los cálculos y diseños se realizaron para el municipio de Sevilla ubicado en el departamento del Valle del Cauca. Sevilla cuenta con una población del presente año de 44028 habitantes según la tabla del DANE (tabla 1), y se encuentra a 1612 metros sobre el nivel del mar (msnm).

Para poder hacer todo el calculo correctamente y proceder a diseñar la bocatoma y el desarenador necesario seguir un paso a paso con unas formulas y algunos valores establecidos, este proceso y formulas son sacadas de las diapositivas del Ing. Daniel Lerma y datos de las RAS, mostradas a continuación: 3.1 Diseño de la Bocatoma:

Imagen: Ing. Daniel Lerma-Diapositivas clase

1. Se utiliza el método geométrico con el cual se halla la población futura para un periodo de 25 años, así: Pf =Puc(1+r )(tf −tuc ) Puc: Población del último censo 6

Tf: Tiempo futuro Tuc: Tiempo del ultimo censo r: Tasa estadística de crecimiento Donde r la encontramos mediante la formula Puc Pci ¿ Pci: Población inicial 1 −1 ) (¿ ¿ Tci: Tiempo del ceso inicial ( Tuc −Tci) r=¿ 2. Se procede con la dotación neta, se encuentra en la siguiente tabla y se determina con la cota de elevación donde se encuentre el municipio.

Imagen: RAS 2017

3. Despues de la dotacion neta se procede hallar la dotacion bruta, para asi proceder con los calculos del caudal medio diario, caudal maximo diario y finalizar con el caudal de diseño . Neta .˙ Bruta= ˙ 1−P % La dotación neta equivale a 130L/hab*dia debido a que está a una altura de 1612msnm, P% es el porcentaje de perdida. *Caudal medio diario *Caudal máximo diario

. Bruta∗Pf Qmd= ˙ 86400 QMD=K 1∗Qm

Donde K1=1.2 por tener una población mayor de 12500 habitantes *Caudal de diseño

QDis=2 QMD

4. Después de hallar el caudal de diseño, se dice que el caudal del rio es el caudal de diseño mas un 20% de este mismo; y con este se calcula H teniendo en cuenta que L es longitud del Cauce. H ¿(

Qrio ) 1.84 L 7

5. Teniendo H se halla la velocidad del rio, donde L= L´ ya que no hay contracciones Qrio Vr= L ´ ∗H Con los datos que se tienen ya se puede proceder a calcular las dimensiones del canal y la rejilla 6. Se halla entonces Xs, así: 2 3

Xs =.0 .36 Vr +0.6 H

Teniendo Xs se procede hallar B que es el valor del ancho del canal B=Xs+ 0.1

Imagen: Ing. Daniel Lerma-Diapositivas clase

7. Para determinar la longitud de la rejilla primero se calcula el área neta, donde K= 0.9 y Vb= 0.2m/s (velocidad entre barrotes), K y Vb son valores establecidos. QDis K∗Vb Para la longitud de la rejilla se tiene que: An=

a= Ancho entre barrotes

L

b= Diámetro de la barra

r=

An∗( a+b )

B= Ancho del canal 8. Con estos datos se procede hallar he= hc= profundidad critica, g= gravedad. 1

Qdis 2 3 ) g∗B2 9. Con estos dos valores hc-he, la pendiente del canal (i) y la longitud del canal (lc) se puede hacer el cálculo de ho3 1 i∗lc 2 2 2 ho=( 2 he +( hc− ) ) − iLc 3 3 10. Los últimos datos del canal son hc=(

Ho= Bl + ho

He= Ho + n

n=Lc + i

Lc = Lr + e

8

Bl=

Borde

libre.

Imagen: Ing. Daniel Lerma (diapositivas)

12 Ya se puede proceder con hacer los cálculos de la cámara de recolección y del desagüe del caudal de excesos. 13 Para calcular la longitud de la cámara que será igual al ancho de esta, se calcula la velocidad de la cámara en la siguiente formula, para después hallar el Xs1. Donde n=0,013 2

1 1 B∗he 3 2 Vc= ∗( ) ¿i n B+ 2 he 2

4

Xs 1= 0.36∗Vc 3 + 0.6∗He 7

14 Ya con estos valores calculados se halla Lz Lz=X s1 +0.1 15 Debido a que la cámara de recolección cuenta con 2 tuberías (tabla 2), una para el desarenador y otra para la bocatoma, es necesario calcular el diámetro de estos de la formula del caudal 2

Qdis= R=

1

A∗1 ∗( R )3 ¿ s 2 n

A = B∗he P B+2he R: Radio hidráulico A: Área mojada da la cámara P: Perímetro mojado de la cámara

16 Se procede hallar el caudal de captación para así poder determinar el caudal de excesos.

9

Q capturado =C ¿ An √ 2 g∗ H Siendo C=0.3 coeficiente de descarga, An= área neta de la rejilla 17 Con el caudal captado y el de diseño se procede hallar el de excesos. Q exc=Q captado−Q diseño 18 Después de hallar el caudal de excesos se procede hallar la altura de los excesos, velocidad de excesos, Xs2 y Xfinal. 2 Qexcesos ¿3 1.84∗Bcamara Hexc=¿ V EXC =

Q excesos H excesos∗Bcamara

2

4

Xs 2= 0.36∗Vexc 3 +0.6∗Hexc 7

Xsf = Xs 2+0.05

19 Con estos datos ya se puede empezar a diseñar la bocatoma y cámara de derivación

Imagen: Ing. Daniel Lerma (diapositivas)

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3.2 Diseño desarenador Se calcula el caudal máximo diario con los mismos datos usados en el diseño de la bocatoma, este caudal es igual al caudal de diseño. Q dis =QMD



Para hallar la velocidad de sedimentación se debe buscar la densidad de la arena (tabla__) y del agua en diferentes temperaturas (tabla__), también se debe buscar la viscosidad absoluta del agua (tabla__), para ser reemplazada en la siguiente formula. 1 Darena−D agua V s= ∗d ² 18 u agua

(

)

Con la velocidad de sedimentación en m/s se procede a calcular el área de sedimentación QMD As= Vs  Se asume la profundidad del sedimentador que debe estar entre 1.5 y 2.5 metros, para poder hallar la altura y el ancho, calculando también la velocidad horizontal (VH) para que estos componentes a su vez cumplan con los siguientes criterios de diseño:  La relación L/H debe estar entre 5-20  La relación L/B debe estar entre los valores de 3-6  (L/H)=(VH/Vs)  La velocidad horizontal es 100∗Qdis VH= B∗H





Se determina el tiempo de retención, pero este nunca cumple con el parámetro. As∗H ¿= 3600∗Qdis



Se determina el área total de los orificios (Ao) de la pantalla difusora, donde Vo es 0.2m/s Q Vo Teniendo en cuenta el área total de orificios se calcula la cantidad de orificios n. Ao n= ao Ao=



11



Donde ao es el área de cada orificio y esta se determina con el diámetro externo de la tubería que se haya tomado. Los orificios más altos deben estar ubicados 1/5 o 1/6 de H, y los orificios más bajos a 1/5 o 1/4 de H.

Imagen: Ing. Daniel Lerma (diapositivas)

 



Se debe determinar el fondo de la unidad el cual debe tener una pendiente entre 5 y 10% También se determina la sección de la compuerta de la evacuación de As∗√ H A 2= lodos. 4850∗t Donde t se toma en horas Para la construcción del vertedero se debe hallar los siguientes datos 2

Qdis 3 ¿ 1.84∗B y=¿

2 3

X s1 =0.36 Vv +0.6 y

4 7

Vv=

Qdis y∗ B

bc=Xs 1+0.1

hv =H − y− Bl

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Imagen: Ing. Daniel Lerma (diapositivas)





Se realiza los cálculos para la zona de excesos donde se escoge un valor para Bexc entre 0.7 y 1 metro, para así hallar lo siguiente Qexc 1.84∗Bexc ¿ ¿ Hexc=¿ Lexc=Xs 2+0.1 Después de finalizados los cálculos procedemos a diseñar el desarenador

Imagen: Ing. Daniel Lerma (diapositivas)

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1. Resultados Dotación Muncipio Sevilla

Datos iniciales Departamento Población 2005 (hab) Población 2019 (hab) Valle del cauca 47940 44028

Cota (m.s.n.m) 1612 K1 1.2

Tasa de crecimiento r

-0.006062

% perdidas

0.25

Población DOTACIÓN Dotación 173.3333333 Puc (hab) 44028 bruta Pci (hab) 47940 Qmd (l/s) 75.87192525 Tuc (años) 2019 QMD (l/s) 91.0463103 Tci (años) 2005 QMH (l/s) 136.5694655 Pf 37819.24 Qdiseño PNM (l/(hab*día) 130 0.182092621 (m^3/s) Bocatoma- Azud Longitud del 8 cauce (m) mbalse Lamina de agua Qrío (m^3/s) 0.218511145 H(m) 1.5 0.060400962 Azud VR Xs B Xi r2 r1 Sazud

0.452209571 0.332765849 0.432765849 0.187475895 0.75 0.15 0.666666667

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Rejilla Condiciones Tipo de varilla (mm) #6 0.0191 Diametro tubería hflujo 0.9 D/2 0.5 0.927295218 (rad) 4.99618309 (rad) Stubo 0.01 Diametro camara (m) 0.196465445 Diametro limpieza 2.57828668 (pulgadas) hmuroexcesos ho (m) Ho (m) n He (m) Srejilla

0.197172 0.373442202 0.523442202 0.028076346 0.551518548 0.1

Recamara Area (m2) Perimetro (m) Radio hidraulico (m) n Scamara Vc (m/s) Xs1 (m) Bcam (m) Lcamara externa C Qcap Qexcesos Pulgadas Hexcesos 7.73486004 Vexesos Xs2 (excesos) csp Muro excesos

0.114 0.957 0.119 0.013 0.005 1.313 0.711 0.811 1.608 0.300 0.330 0.148 0.326 0.561 0.398 0.150 0.1

Despeje del diámetro de la tubería de la cámara de derivación

Tabla 8 pulg. Radio

0.21908 0.10954

4 pulg

0.1143

Radio

0.05715

Desarenador 15

L/s 91.0463103

QMD

m3/s 0.09104631

Partículas μ

Desarenador Vo (m/s) 0.2 Vs (cm/s) 0.00270 As (m2) 33.75 L (m) 11.00 B (m) 3.07 H (m) 1.50 L/B (m) 3.59 L/H (m) 7.33

0.00000098 1.99 1 0.00007

ρArena ρ Agua (kg/m^3) D.Partículas

Distribución Ao ao H' X' X (div-pantalla) Filas Columnas S desarenador t (hrs) A2 XA2 n (unid) Formula 44

0.45523155 0.01026083 0.3 0.185 1.20 5 9 0.1 0.17 0.05113471 3.66666667

To (hrs)

0.1544497

Excesos Bexcesos 0.8 An 1.01162567 C 0.3 Hlamin 0.04884747 Qcap 0.29710614 Qexcesos 0.11501352 Hexc 0.18276543 Vexc 0.78661976 Xs2 0.53395297 Lexcs 0.63395297

Compuerta A2 (m2) 0.06262697 Compuerta cuadrada (m) 0.25025382

3

1.97835

Prueba VH/VS (cm) L/H (m) 733.333333 7.33

aprox. 45

Tuberia (in)

VH (cm/s)

Tuberia (mm) 88.9

Vertedero Hv 0.06383385 Vv (m/s) 0.46488266 XS2 0.24925039 16

Bv B libre

0.34925039 0.3

hv

1.14

Diseño tubo de salida Vel max (m/s) 2 Area 0.04552316 Diamero teorico (m) 0.24075274 Diamero teorico (in) 9.47845429 Diamero real (m) 0.25807 Diamero real (in) 10 Area real (m) 0.05230762 Vel real (m/s) 1.74059377 Compuerta A2 (m2) 0.06262697 Compuerta cuadrada 0.25025382 (m)

5 Conclusiones    

El cálculo de los valores facilita la elaboración de los diseños El cambio de algunos valores incrementa o disminuye mucho algunas relaciones Se deben tener en cuenta todas las tablas de valores como temperatura, diámetro, densidad, antes de empezar a calcular Se debe tener en cuenta la población para poder hacer todos los cálculos respectivos 17

6 Anexos Tabla 1

Tabla 2

Tabla 3

Tabla 4

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Tabla 5

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