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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y
MATEMÁTICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
TEMA: “MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA CAPTACIÓN
DEL RÍO BOQUERÓN, PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO-
MONCAYO, EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE LA UCE”
TRABAJO DE GRADUACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL
AUTOR: SÁNCHEZ DEL POZO ERIKA VANESSA
TUTOR: ING. JAYA QUEZADA SALOMÓN ENRIQUE M.Sc.
Quito-22 de marzo
2017
vi
DEDICATORIA
Dedico todo mi esfuerzo y trabajo puesto para la realización de esta tesis a Dios, a mis
padres y a mi hermano. A Dios porque ha estado conmigo a cada paso que doy,
cuidándome y dándome fortaleza para continuar, a mis padres y a mi hermano, quienes a lo
largo de mi vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo
momento. Depositando su entera confianza en cada reto que se me presentaba, sin dudar ni
un solo momento en mi inteligencia y capacidad. Es por ellos que soy lo que soy ahora.
A toda mi familia que es lo mejor y más valioso que Dios me ha dado.
También dedico este proyecto a mi novio, compañero inseparable de cada jornada.
Los amo con mi vida.
Erika Sánchez Del Pozo
vii
AGRADECIMIENTO
Le agradezco a Dios por bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste
realidad este sueño anhelado, por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera,
por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de
aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad.
Con un testimonio de eterno agradecimiento por mi formación profesional a la Universidad
Central del Ecuador, a la Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, a la Carrera
de Ingeniería Civil y a sus profesores gracias a los cuales debo gran parte de mi
conocimiento.
De igual manera agradecer a mi profesor de Investigación y de Tesis de Grado, Ing.
Salomón JAYA Quezada por su esfuerzo, por su visión crítica de muchos aspectos
cotidianos de la vida, por su rectitud en su profesión como docente, quien con sus
conocimientos, su experiencia, su paciencia, su guía, sus consejos y su motivación ha
logrado en mí que pueda terminar mis estudios con éxito.
Al Ing. Efrén Ortiz por todo el apoyo brindado en el desarrollo de mi trabajo.
A los docentes y personal del Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas y todos aquellos
que de una u otra manera aportaron para la culminación de mi trabajo.
A mis amigas Kate Grijalva, Kate Fuertes y a todos mis amig@s de la Universidad, quienes
han compartido conmigo todos los sacrificios de esta vida universitaria.
Al decanato de la FICFM, en la persona de la Señora Ingeniera Cecilia Flores Villalba por
el apoyo brindado para la construcción del modelo hidráulico.
Erika Sánchez Del Pozo
viii
CONTENIDO
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL ...................................................................... ii
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ................................................................................................... iii
APROBACIÓN DE LOS LECTORES ........................................................................................... iv
DEDICATORIA ......................................................................................................................... vi
AGRADECIMIENTO ................................................................................................................ vii
CONTENIDO ......................................................................................................................... viii
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. xii
LISTA DE TABLAS ...................................................................................................................xiii
LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................... xv
LISTA DE FOTOGRAFÍAS ....................................................................................................... xvii
RESUMEN ............................................................................................................................. xxii
ABSTRACT ........................................................................................................................... xxiii
CAPITULO 1 ............................................................................................................................. 1
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO MONCAYO ......... 1
1.2 DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA
CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO ............................................................. 4
1.3 OBJETIVO GENERAL DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO............................................. 6
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO ..................................... 6
1.6 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .................................................................................. 6
1.7 ALCANCE DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO ................................................. 7
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................. 8
2.1 DESCRIPCIÓN DE UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO .................................................... 8
2.2 CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA TOMA DE FONDO O
CAUCASIANA ............................................................................................................................... 8
2.3 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAPTACIÓN EN RÍOS DE MONTAÑA ........................... 9
2.4 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO .......................... 10
2.5 REJILLA ................................................................................................................................. 11
ix
2.6 GALERÍA ............................................................................................................................... 12
2.7 DESARENADOR .................................................................................................................... 13
2.8 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ..................................................................................... 23
2.9 CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS ........................................................................... 23
2.10 PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS ............................................................................. 24
CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................... 29
3. MODELACIÓN HIDRÁULICA ....................................................................................................... 29
3.1 INTRODUCCIÓN A LA MODELACIÓN HIDRÁULICA .............................................................. 29
3.2 MODELOS FÍSICOS REDUCIDOS ........................................................................................... 29
3.3 VENTAJAS DE LA MODELACIÓN FÍSICA ............................................................................... 29
3.4 ASPECTOS SIGNIFICATIVOS A TOMAR EN CUENTA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN
MODELO HIDRÁULICO ............................................................................................................... 30
3.5 PRINCIPIOS DE SIMILITUD ................................................................................................... 31
3.6 ANÁLISIS DIMENSIONAL ...................................................................................................... 33
3.7 SIMILITUD DE FROUDE ........................................................................................................ 35
3.8 CÁLCULOS REALIZADOS PARA DETERMINAR LAS DIMENSIONES DE LAS ESTRUCTURAS ... 38
3.8.3 CÁLCULO DE LA COMPUERTA DE INGRESO AL CANAL QUE CONECTA LA GALERÍA ........ 44
3.8.4 DISEÑO DEL DESARENADOR ............................................................................................. 48
3.8.5 CÁLCULO DEL VERTEDERO ............................................................................................... 54
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................... 58
4. PROCESO CONSTRUCTIVO DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL
RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE LA FICFM DE LA UCE ......................... 58
4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO CONSTRUCTIVO ..................................................... 58
4.2 REGISTRO DE LA CONSTRUCCIÓN ....................................................................................... 60
4.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN .............................................................................. 70
4.4 CLASIFICACIÓN Y MODELACIÓN DE LOS SUELOS/SEDIMENTOS PARA LOS ENSAYOS .. 71
4.5 SISTEMAS DE BOMBEO Y DE RECIRCULACIÓN DE LOS CAUDALES IMPLEMENTADOS PARA
ALIMENTAR AL MODELO ........................................................................................................... 74
4.6 VERTEDERO TRIANGULAR Y SU CURVA DE CALIBRACIÓN PARA MEDIR LOS CAUDALES
UTILIZADOS EN LAS DIVERSAS CORRIDAS HIDRÁULICAS DEL MODELO .................................... 74
CAPÍTULO 5 ........................................................................................................................... 76
5. CORRIDAS (PRUEBAS) REALIZADAS EN EL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA
CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN, PARA DISTINTOS CAUDALES DE ANÁLISIS ............................ 76
x
5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 76
5.2 OBTENCIÓN DE CAUDALES DE ANÁLISIS ............................................................................. 76
5.3 RESULTADOS DE LAS DISTINTAS CORRIDAS ........................................................................ 78
CAPÍTULO 6 ......................................................................................................................... 111
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS ............................................................................................................................. 111
6.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q80 ................................................................................. 111
6.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q 10 ................................................................................ 115
6.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño .......................................................................... 119
6.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño Y LOS 6 DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA
GRANULOMETRÍA.................................................................................................................... 121
6.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS HACIA LA REJILLA
PARA: Q 80, Q 10 Y Q diseño ................................................................................................... 122
6.6 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE ................................................................................. 123
CAPÍTULO 7 ......................................................................................................................... 129
7. GUÍA METODOLÓGICA PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS ESTUDIANTILES CON EL MODELO
HIDRÁULICO FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE
INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS ................................................................................................ 129
7.1 TEMA ................................................................................................................................. 129
7.2 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 129
7.2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 129
7.3 EQUIPOS Y MATERIALES .............................................................................................. 131
7.4 METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA ........................................... 131
7.5 GRÁFICOS .......................................................................................................................... 136
7.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................. 136
7.7 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 136
7.8 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 136
7.9 AGRADECIMIENTO ............................................................................................................ 136
7.10 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 136
CAPÍTULO 8 ......................................................................................................................... 137
xi
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 137
8.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 137
8.2 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 139
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 140
ANEXOS ............................................................................................................................... 142
xii
LISTA DE FIGURAS
FIGURA N° 1.1 FASES DEL PROYECTO 2
FIGURA N° 1.2 ESQUEMA GENERAL DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO
BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA 5
FIGURA N° 2.1 PARTES DE UNA TOMA TIROLESA 10
FIGURA N° 2.2 ZONAS DE UN DESARENADOR 15
FIGURA N° 2.3 TIPOS DE TRANSICIONES DE CANALES
RECTANGULARES A TRAPECIALES 17
FIGURA N° 2.4 ESQUEMA DE UN DESARENADOR DE LAVADO
INTERMITENTE 22
FIGURA N° 3.1 ESQUEMA DE LA REJILLA DE FONDO 38
FIGURA N° 3.2 DIMENSIONES DE LA REJILLA 41
FIGURA N° 3.3 PERFIL DE LA SOLERA DE LA GALERÍA 44
FIGURA N° 3.4 ESQUEMA DE UNA COMPUERTA PLANA 45
FIGURA N° 3.5 DIMENSIONES DEL DESARENADOR 53
FIGURA N° 3.6 ESQUEMA DE UN VERTEDERO CREAGER 54
FIGURA N° 3.7 PERFIL DEL VERTEDERO HIDRODINÁMICO CREAGER 57
FIGURA N° 4.1
ESQUEMA GENERAL DE LA TOMA CAUCASIANA DEL
RÍO BOQUERÓN IMPLEMENTADA EN EL
LABORATORIO DE INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS
59
FIGURA N° 4.2 CURVA DE CALIBRACIÓN DEL VERTEDERO
TRIANGULAR Ɵ=60° 75
FIGURA N° 5.1 CURVA DE DURACIÓN GENERAL DEL RÍO
BOQUERÓN 77
xiii
LISTA DE TABLAS
TABLA N°2.1
VELOCIDADES LÍMITE POR DEBAJO DE LAS CUALES
EL AGUA CESA DE ARRASTRAR DIVERSAS
MATERIAS
18
TABLA N°2.2 CLASIFICACIÓN DE SEDIMENTOS POR TAMAÑOS 25
TABLA N°2.3 MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS 27
TABLA N°3.1 ESCALAS DEL MODELO HIDRÁULICO 37
TABLA N°3.2 CÁLCULOS REALIZADOS PARA LA GALERÍA 43
TABLA N°3.3 VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN W (cm/s) 49
TABLA N°3.4 VALORES PARA DETERMINAR a EN FUNCIÓN DEL
DIÁMETRO 50
TABLA N°3.5 COEFICIENTE PARA EL CÁLCULO DE
DESARENADORES DE BAJA VELOCIDAD 51
TABLA N°4.1 DIÁMETROS CON SU RESPECTIVO COLOR
DISTINTIVO PARA REALIZAR LA MODELACIÓN 73
TABLA N°5.1 CAUDALES ESTABLECIDOS PARA SU RESPECTIVO
ANÁLISIS 77
TABLA N°5.2 DIÁMETROS DE LAS PARTÍCULAS EN ANÁLISIS 78
TABLA N°5.3 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø>2
plg 79
TABLA N°5.4 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2
plg 80
TABLA N°5.5 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8
plg 82
TABLA N°5.6 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4
plg 84
TABLA N°5.7 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1
plg 86
TABLA N°5.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 88
xiv
½ plg
TABLA N°5.9 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 80 (5.6 l/s) 89
TABLA N°5.10 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=1 ½
plg 91
TABLA N°5.11 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1
plg 93
TABLA N°5.12 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4
plg 95
TABLA N°5.13 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8
plg 97
TABLA N°5.14 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2
plg 99
TABLA N°5.15 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 10 (14.1
l/s) 100
TABLA N°5.16 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4
plg 102
TABLA N°5.17 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8
plg 104
TABLA N°5.18 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2
plg 106
TABLA N°5.19 TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q diseño
(46.9 l/s) 107
TABLA N°5.20 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø > 2
plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2 plg 108
xv
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO N° 6.1
CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL
CAUCE DEL RÍO PARA Q 80 111
GRÁFICO N° 6.2 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA
REJILLA PARA Q 80 112
GRÁFICO N° 6.3 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA
SOBRE LA REJILLA PARA Q 80 113
GRÁFICO N° 6.4
CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS
ABAJO DE LA REJILLA PARA Q 80 114
GRÁFICO N° 6.5 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL
CAUCE DEL RÍO PARA Q 10 115
GRÁFICO N° 6.6 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA
REJILLA PARA Q 10 116
GRÁFICO N° 6.7 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA
SOBRE LA REJILLA PARA Q 10 117
GRÁFICO N° 6.8 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS
ABAJO DE LA REJILLA PARA Q 10 118
GRÁFICO N° 6.9 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA
REJILLA PARA Q diseño 119
GRÁFICO N° 6.10 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS
ABAJO DE LA REJILLA PARA Q diseño 120
GRÁFICO N° 6.11
CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS
DIFERENTES ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE
DE LA TOMA CAUCASIANA
121
GRÁFICO N° 6.12
CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA
REJILLA 122
GRÁFICO N° 6.13 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD 123
GRÁFICO N° 6.14 FROUDE VS CALADO MEDIDOS AGUAS ARRIBA DE
LA REJILLA 124
xvi
GRÁFICO N° 6.15
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS
PARTÍCULAS (kg) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE
FROUDE
125
GRÁFICO N° 6.16
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS
PARTÍCULAS (%) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE
FROUDE
127
xvii
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
FOTOGRAFÍA N°4.1 UBICACIÓN DE LA PLATAFORMA DEL CAUCE
DEL RÍO 60
FOTOGRAFÍA N°4.2 UBICACIÓN DEL DESARENADOR 60
FOTOGRAFÍA N°4.3 CAUCE DEL RÍO Y REJILLA 61
FOTOGRAFÍA N°4.4 CONFORMACIÓN NATURAL DEL RÍO A
ESCALA 61
FOTOGRAFÍA N°4.5 INSTALACIÓN DE LA REJILLA 62
FOTOGRAFÍA N°4.6 CONFORMACIÓN DE LA GALERÍA 62
FOTOGRAFÍA N°4.7 DETALLES COMPUERTA 63
FOTOGRAFÍA N°4.8 COMPUERTA A CONTINUACIÓN DE LA
REJILLA 63
FOTOGRAFÍA N°4.9 CONSTRUCCIÓN DEL CANAL DE
CONDUCCIÓN 64
FOTOGRAFÍA N°4.10 CANAL DE CONDUCCIÓN 64
FOTOGRAFÍA N°4.11 CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN 65
FOTOGRAFÍA N°4.12 CONFORMACIÓN DEL DESARENADOR 65
FOTOGRAFÍA N°4.13 VERIFICACIÓN DE NIVELES Y MEDIDAS;
TRANSICIÓN Y DESARENADOR 66
FOTOGRAFÍA N°4.14 CONFORMACIÓN DE TALUDES DE
CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS 66
FOTOGRAFÍA N°4.15 DETALLES COMPUERTA DE LAVADO 67
FOTOGRAFÍA N°4.16 COMPUERTA AL FINAL DEL DESARENADOR 67
FOTOGRAFÍA N°4.17 CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN 68
FOTOGRAFÍA N°4.18 CANAL DE LAVADO 68
FOTOGRAFÍA N°4.19 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL
VERTEDERO 69
FOTOGRAFÍA N°4.20 VERTEDERO HIDRODINÁMICO 69
FOTOGRAFÍA N°4.21 TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN 70
FOTOGRAFÍA N°4.22 PROCESO DE TAMIZADO DEL MATERIAL DE
ARRASTRE DE FONDO Y DETERMINACIÓN 71
xviii
DE 6 DIÁMETROS REPRESENTATIVOS PARA
REALIZAR LA MODELACIÓN
FOTOGRAFÍA N°4.23 PROCESO DE PINTADO DE LOS SEDIMENTOS,
DE SEIS COLORES DISPUESTOS 72
FOTOGRAFÍA N°5.1 MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=2 plg 80
FOTOGRAFÍA N°5.2
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=0.2
plg
81
FOTOGRAFÍA N°5.3 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA PARA
Q 80 Y ø=0.2 plg 81
FOTOGRAFÍA N°5.4
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/8
plg
82
FOTOGRAFÍA N°5.5 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q 80 Y ø=3/8 plg 83
FOTOGRAFÍA N°5.6 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 80 Y ø=3/8 plg 83
FOTOGRAFÍA N°5.7
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4
plg
84
FOTOGRAFÍA N°5.8 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q 80 Y ø=3/4 plg 85
FOTOGRAFÍA N°5.9 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 80 Y ø=3/4 plg 85
FOTOGRAFÍA N°5.10
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg
86
FOTOGRAFÍA N°5.11 MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg 87
xix
FOTOGRAFÍA N°5.12 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 80 Y ø=1plg 87
FOTOGRAFÍA N°5.13 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg 88
FOTOGRAFÍA N°5.14
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1 1
2plg
89
FOTOGRAFÍA N°5.15 DESCRIPCIÓN GENERAL >2 plg 91
FOTOGRAFÍA N°5.16
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 1
2plg
92
FOTOGRAFÍA N°5.17
MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 10 Y ø=1 1
2plg
92
FOTOGRAFÍA N°5.18
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 1
2plg
93
FOTOGRAFÍA N°5.19 MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg 94
FOTOGRAFÍA N°5.20 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 10 Y ø=1 plg 94
FOTOGRAFÍA N°5.21 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg 95
FOTOGRAFÍA N°5.22
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/4
plg
96
FOTOGRAFÍA N°5.23 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=3/4 plg 96
FOTOGRAFÍA N°5.24
MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 10 Y ø=3/4 plg
97
FOTOGRAFÍA N°5.25 MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/8 98
xx
plg
FOTOGRAFÍA N°5.26 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=3/8 plg 98
FOTOGRAFÍA N°5.27 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q 10 Y ø=3/8 plg 99
FOTOGRAFÍA N°5.28 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=0.2 plg 100
FOTOGRAFÍA N°5.29 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q diseño Y ø=3/4 plg 102
FOTOGRAFÍA N°5.30 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q diseño Y ø=3/4 plg 103
FOTOGRAFÍA N°5.31 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4 plg 103
FOTOGRAFÍA N°5.32 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q diseño Y ø=3/8 plg 104
FOTOGRAFÍA N°5.33 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA REJILLA,
PARA Q diseño Y ø=3/8 plg 105
FOTOGRAFÍA N°5.34 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8 plg 105
FOTOGRAFÍA N°5.35 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q diseño Y ø=0.2 plg 106
FOTOGRAFÍA N°5.36 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA, PARA
Q diseño Y TODOS LOS DIÁMETROS 109
FOTOGRAFÍA N°5.37
MATERIAL QUE SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS
DIÁMETROS
109
FOTOGRAFÍA N°5.38 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS 110
xxi
DIÁMETROS
FOTOGRAFÍA N°5.39
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE, AGUAS
ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q diseño Y
TODOS LOS DIÁMETROS
110
xxii
RESUMEN
MODELACIÓN HIDRÁULICA-FÍSICA DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN,
PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-PEDRO-MONCAYO, EN EL LABORATORIO
DE HIDRÁULICA DE LA UCE
Autor: Sánchez Del Pozo Erika Vanessa
Tutor: Jaya Quezada Salomón Enrique M.Sc.
La modelación hidráulica física permitió obtener una estructura que facilitará la enseñanza a los estudiantes
en el diseño de una bocatoma caucasiana y sus estructuras complementarias como: canales, desarenadores,
compuertas, rejillas, disipadores de energía; además, permite la enseñanza de la modelación hidráulica, que
siendo una materia de especialización, se puede capacitar a estudiantes interesados en esta técnica y mostrar
las potencialidades que tiene el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas.
El modelo fue construido con el concepto de Similitud de Froude, utilizado en modelos a escala en donde se
tenga flujos con superficies libres, en este caso la captación del río Boquerón, diseñado para un caudal de 46.9
l/s a escala 1:4 del prototipo.
Los resultados obtenidos del modelo permitirán corregir algunas partes de las estructuras del prototipo que
construirá el Consejo Provincial de Pichincha para el Sistema de Riego Cayambe-Pedro Moncayo, como son:
modificar el radio de curvatura del canal de conducción que une la galería con la transición, implementar un
delantal o plataforma en el cauce del río aguas arriba de la rejilla para una mejor distribución e ingreso del
flujo, mejorar el perfil del canal de llegada a la compuerta para el lavado de los sedimentos del desarenador.
En el funcionamiento del modelo se evidenció que los caudales de estudio fueron captados en su totalidad por
la rejilla, los caudales sólidos fueron captados en una alta proporción, otros se depositaron sobre la misma
rejilla lo que no es conveniente para el buen funcionamiento del proyecto, este es un caso que debería ser
investigado en una alternativa de variación de la inclinación de la rejilla.
PALABRAS CLAVE: MODELACIÓN HIDRÁULICA FÍSICA/ RÍO BOQUERÓN/ SISTEMA DE RIEGO
PEDRO MONCAYO/ CONSEJO PROVINCIAL DE PICHINCHA/ DESARENADOR/ REJILLA DE
FONDO/ GALERÍA/ TRANSICIÓN
xxiii
ABSTRACT
PHYSICAL HYDRAULIC MODELING OF THE CATCHMENT OF RIVER BOQUERÓN, CAYAMBE-
PEDRO MONCAYO IRRIGATION SYSTEM, IN THE HYDRAULIC LABORATORY DE LA UCE
Autor: Sánchez Del Pozo Erika Vanessa
Tutor: Jaya Quezada Salomón Enrique M.Sc.
The physical hydraulic modeling allowed to obtain a structure that will facilitate the teaching to the students in the design
of a Caucasian bocatoma and its complementary structures like: channels, sanders, gates, grids, energy dissipators; In
addition, it allows the teaching of hydraulic modeling, which, being a subject of specialization, can train students
interested in this technique and show the potential the Hydraulic Research Laboratory.
The model was built with the concept of Froude Similarity, used in scale models where there are flows with free surfaces,
in this case the catchment of the river Boquerón, designed for a flow of 46.9 l / s scale 1: 4 of the prototype.
The results obtained from the model will allow to correct some parts of the prototype structures that the Pichincha
Provincial Council will build for the Cayambe-Pedro Moncayo Irrigation System, such as: modification of the radius of
curvature of the conduit Which joins the gallery with the transition, to implement an apron or platform in the river bed
upstream of the grid for a better distribution and entrance of the flow, to improve the profile of the channel of arrival to
the gate for the washing of the sediment of the sandbox .
In the model operation it was evidenced that the study flows were fully captured by the grid, the solid flows were captured
in a high proportion, others were deposited on the same grid which is not suitable for the proper operation of the project,
This is a case that should be investigated in an alternative of variation of the grid inclination.
KEYWORDS: PHYSICAL HYDRAULIC MODELING/ RÍO BOQUERÓN/ PEDRO MONCAYO IRRIGATION
SYSTEM/ PICHINCHA PROVINCIAL COUNCIL / SANDBOX/ BACK GRID/ GALLERY/ TRANSITION
1
CAPITULO 1
1. INTRODUCCIÓN
1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO DE RIEGO CAYAMBE-
PEDRO MONCAYO
El sistema de riego Cayambe – Pedro Moncayo, es un proyecto concebido en el año 1975,
año en que el ex INERHI se dedicó a proyectar dicho sistema y fue en el año 1998, cuando
la Constructora Andrade Gutiérrez inició la ejecución de los trabajos, la empresa contratista
no disponía de estudios de detalle de las obras, como: hidrología, estudios de suelos,
geotecnia, sísmica y topografía de escala adecuada y actualizada, apenas contaba con
estudios de pre factibilidad elaborados por Pypsa, empresa española, Contratada por el ex –
INERHI, y mapas topográficos del IGM a escala 1:5000.
La topografía de detalle, revisión de diseños, cálculos, modificaciones e implantaciones de
las obras a construirse corrió a cargo del área técnica de la Unidad Administrativa del
Proyecto Canal de Riego Tabacundo, actualmente llamado Sistema de Riego Cayambe
Pedro Moncayo.
La fiscalización de este proyecto se encuentra a cargo de “EL GOBIERNO PROVINCIAL
DE PICHINCHA”. Una parte de la construcción del proyecto estuvo a cargo de la
Constructora Andrade Gutiérrez, posteriormente se entregó el proyecto a la constructora
Hidalgo & Hidalgo. El proyecto tiene una inversión de aproximadamente 118 millones de
dólares, financiada por la Prefectura de Pichincha y el Gobierno Central.
Es un proyecto cuya construcción es de vital importancia debido a las oportunidades que
brindará y a la cantidad de beneficiados, entre ellos el más importante es el de dotar de agua
para riego óptimo a los cantones Pedro Moncayo y Cayambe.
El sistema capta las aguas de los ríos: Boquerón, Arturo y San Pedro afluentes de ríos
amazónicos, recoge su caudal, el cual es transportado a través de 3 túneles con longitudes
de 1396 metros, 777 metros y 960 metros respectivamente, hasta llegar a la Laguna de
Regulación de San Marcos, aquí se almacenarán aproximadamente 10 millones de m3 de
agua.
2
Posteriormente se conducirá el agua a través del túnel de trasvase que tiene una longitud de
5 km y desembocará en el río La Chimba, para de esta manera aumentar el caudal del río;
almacenando dicho caudal en el Embalse de Regulación con un capacidad de 45 mil m3,
ubicado en la parroquia Olmedo, y conducirlo por 67 km del canal principal y 4 km de
túneles hasta llegar a 59 conexiones secundarias que en longitud suman aproximadamente
200 km y finalmente a través de 308 km de redes terciarias proveer de un sistema de riego a
14 mil hectáreas de cultivos, beneficiando de esta manera a 10 mil familias de las
parroquias: Olmedo, Ayora, Tupigachi, La Esperanza, Tabacundo, Tocachi y Malchingui
pertenecientes a los cantones Cayambe y Pedro Moncayo. Adicionalmente por el túnel de
trasvase se conducirá el agua que aportará al proyecto Pesillo- Imbabura, el cual dotará de
agua potable a miles de habitantes de las parroquias de los cantones: Otavalo, Antonio
Ante, Ibarra, Pedro Moncayo y Cayambe.
Figura N° 1.1 FASES DEL PROYECTO
Fuente: CONSEJO PROVINCIAL DE PICHINCHA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
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1.1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO
El proyecto está localizado al Nororiente de la provincia de Pichincha, en los cantones
Cayambe y Pedro Moncayo; las captaciones de los ríos están ubicadas en la parte limítrofe
la provincia del Napo con la provincia de Pichincha, específicamente en el cantón El
Chaco.
Las demás obras como: la presa de regulación, el túnel de trasvase y otros, se localizan en
la parroquia Olmedo, perteneciente al cantón Cayambe de la provincia de Pichincha, desde
este punto y mediante un canal principal de 67.8 km de longitud y una serie de canales
secundarios y terciarios que componen el sistema, se prevé el riego de áreas de producción
agrícola del cantón Cayambe y diversas parroquias del cantón Pedro Moncayo, finalizando
en la parroquia Malchinguí, perteneciente al cantón Pedro Moncayo.
1.1.2 GENERALIDADES DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN
El proyecto de riego Cayambe – Pedro Moncayo contempla el diseño y construcción de 4
captaciones en 4 diferentes ríos, una de las obras es la captación del río Boquerón, ubicado
al pie del nevado Cayambe, en donde se implementará una captación tipo Caucasiana,
diseñada para un caudal de 1.5 m3/s, en la que se debe implementar obras complementarias
como la propia rejilla de fondo, galería de captación, compuerta de limpieza y desarenador.
La cota de captación en el río Boquerón es la 3531.5 msnm.
La cuenca del río Boquerón tiene una superficie de 4,15 Km², la cual está constituida en su
mayor parte por pajonales. La morfología de esta cuenca presenta pendientes muy
pronunciadas que superan el 10%, en algunos tramos de recorrido del río se puede
encontrar quebradas pronunciadas en donde el paso por el curso fluvial es complicado.
Existen muchas zonas de flujo turbulento y con un acceso peligroso. La acumulación de
sedimentos se presenta en algunas zonas planas de material sedimentario
predominantemente grueso en donde se encuentra partículas con un diámetro mayor a
10cm.
4
1.2 DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO
FÍSICO DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL
LABORATORIO
Considerando que el estudio, diseño e implementación de las estructuras hidráulicas que se
van a construir en la captación del río Boquerón, son temas que se los estudia durante la
formación académica para ingenieros civiles, específicamente en el Área de Hidráulica, se
garantiza académicamente que la construcción de un modelo hidráulico físico en el
Laboratorio de Hidráulica se podrá llevar a cabo.
Lo primero que se debe hacer para realizar la implementación del modelo es conseguir toda
la información necesaria, diseños, planos, etc del mencionado proyecto; para ello se
establecieron conversaciones con el “Consejo Provincial de Pichincha”, quienes nos han
proporcionado los planos y diseños de la captación del río Boquerón. Una vez obtenida la
información requerida se planificó una visita técnica de campo, para conocer las
generalidades del proyecto, está visita se realizó con técnicos del CPP y el auspicio de la
FICFM: vehículo, chofer, conserje, Profesor Tutor, profesor del área de Hidráulica y
ayudante del Laboratorio de Hidráulica.
Para poder determinar cuál sería la escala adecuada con que se construiría el modelo se
debió tener en cuenta algunas consideraciones, entre las cuales estaban: analizar las
condiciones del Laboratorio de Hidráulica como son el espacio físico disponible y la
capacidad de las bombas que dispone el Laboratorio, entre otras. Una vez hecho este
análisis se concluyó que construyendo un modelo a escala 1:4, se cumple con las
condiciones requeridas y con la cual los fenómenos producidos son fácilmente apreciables.
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Figura N° 1.2 ESQUEMA GENERAL DE LA CAPTACIÓN DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE HIDRÁULICA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
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1.3 OBJETIVO GENERAL DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO
Construir y experimentar un modelo hidráulico- físico de la Toma Caucasiana del río
Boquerón en el Laboratorio de Hidráulica de Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y
Matemática de la Universidad Central del Ecuador, para la enseñanza práctica de hidráulica
a los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Civil.
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO
Experimentar el funcionamiento de las estructuras que forman parte de la toma
caucasiana, y recomendar si se debe realizar modificaciones en el prototipo.
Aportar con un modelo hidráulico físico como material didáctico para la
de obras de captación a los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Civil.
Analizar y cuantificar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte
del modelo.
1.5 HIPÓTESIS
La modelación física de la toma caucasiana del río Boquerón en el Laboratorio de
Hidráulica permitirá visualizar y demostrar que su funcionamiento sea representativo del
prototipo.
1.6 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Generalmente una obra hidráulica de mediana y gran envergadura, para su construcción
requiere que antes de su implementación sea verificada en un modelo hidráulico físico
reducido para garantizar su funcionamiento. El presente estudio es para una obra de toma
de dimensiones pequeñas, sin embargo, al tratarse de una captación con rejilla de fondo que
se estudia como parte de la materia de Diseño Hidráulico II, es de gran importancia
construirlo y calibrarlo para la enseñanza práctica de los estudiantes de la Carrera de
Ingeniería Civil; además, aportar con criterios correctivos al prototipo.
La aplicación o funcionamiento de esta estructura hidráulica, de modelo a prototipo será
reflejada en la garantía del sistema de riego Cayambe-Pedro Moncayo.
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1.7 ALCANCE DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO
El presente estudio contempla la modelación hidráulico físico de la toma caucasiana del río
Boquerón realizado en el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas de la Facultad de
Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática de la Universidad Central del Ecuador; para lo
cual se debe realizar las siguientes actividades: determinación de escalas, construcción del
modelo físico, calibración del modelo, realización de pruebas para distintos caudales con el
fin de verificar el comportamiento hidráulico de la estructura en estudio, con caudales
líquidos y transporte de fondo; analizar e interpretar los resultados y proponer posibles
mejoras para obtener un funcionamiento y comportamiento óptimo de las partes que
conforman esta toma caucasiana.
Con una selección adecuada de escalas, el modelo podrá reproducir adecuadamente los
fenómenos que se quieren analizar y las variables que influyen sobre los mismos.
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CAPÍTULO 2
2. GENERALIDADES DE UNA TOMA CAUCASIANA, DESCRIPCIÓN DE LOS
ELEMENTOS QUE LA CONFORMAN
2.1 DESCRIPCIÓN DE UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO
Este tipo de obra de captación se implementa en el cauce del río y está protegida por una
rejilla de fondo, ubicada de manera que los materiales gruesos de determinados diámetros
no pasan hacia la estructura de toma. La rejilla está ubicada en forma transversal al
cauce del río y los barrotes paralelos al flujo del río. A esta estructura se le podrá dar
diferentes inclinaciones, esto dependerá de las condiciones del río y características del
proyecto; por debajo de ella se encuentra la galería, que es parte del cuerpo del azud y
conecta con el canal colector. Las partículas pequeñas que han logrado ingresar, serán
evacuadas por medio de estructuras complementarias como desarenadores y canales de
lavado.
Este tipo de captación es recomendable implementarla en ríos de montaña, debido a que la
principal característica de estos es que tienen pendientes fuertes y el arrastre de sedimentos
no es grande; caso contrario si se tiene abundante arrastre de sedimentos, estos provocarán
obstrucción rápidamente y la obra quedaría totalmente inutilizada.
2.2 CONSIDERACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA TOMA DE
FONDO O CAUCASIANA
Antes de realizar una implementación de este tipo de captación, se debe considerar
las características propias del lugar donde se va a implantar, que están en función de
la morfología del río y la topografía.
La ubicación de una obra de toma es de vital importancia y un aspecto muy
relevante a tomar en cuenta para garantizar el funcionamiento y comportamiento de
la estructura hidráulica, la cual está en función de las características topográficas y
geomorfológicas del río, así como de la pendiente del río, caudal sólido del río,
curso del río, terreno de fundación, etc.
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Para reducir el ingreso de sedimentos y materia suspendida a la conducción, la
captación debe tener estructuras complementarias como desarenador y desripiador
en donde velocidad de flujo debe ser baja, preferiblemente inferior a 0.1 m/seg.
Como no todos los materiales son arrastrados por la corriente del río y cierta
cantidad de sedimentos, basuras, palos que arrastra el río ingresan por la rejilla, es
necesario construir un desripiador eficiente a continuación de la toma.
Como menciona Krochin en su libro Diseño Hidráulico este tipo de toma solamente
es práctico en los torrentes o río de montaña y no se ha utilizado para caudales
mayores de 10 m3/s. (Krochin, 2010)
Una toma caucasiana o de fondo construida con los parámetros y criterios
adecuados garantiza la seguridad de captación de agua requerida para el proyecto en
cualquier época del año.
La inclinación que tenga la rejilla es fundamental debido a que es necesario facilitar
el paso de los sedimentos sobre esta; de esto dependerá el funcionamiento óptimo
de la captación y a su vez se conseguirá mayor eficiencia para el paso del agua, en
función de las características del material arrastrado.
2.3 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA CAPTACIÓN EN RÍOS DE
MONTAÑA
Para el diseño de una toma tipo tirolesa se debe considerar los siguientes criterios:
a) Una toma caucasiana o de fondo es recomendable implementarla en ríos de montaña,
donde las pendientes longitudinales son fuertes; pueden llegar al 10% o a veces a más.
b) Son muy útiles para cauces con crecidas de corta duración y que arrastran gran cantidad
de material grueso.
c) Adecuadas para cauces que tienen grandes variaciones de caudal, que provienen de
nevados.
d) En cauces de ríos con poco contenido de material fino y donde el agua es
relativamente limpia en época de estiaje.
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e) La rejilla es la parte más baja de la presa que cierra el río, cualquiera que sea el
caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Puede ubicarse a cualquier altura
sobre el fondo, dependiendo de las exigencias del proyecto. (Krochin, 2010)
2.4 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA TOMA CAUCASIANA O DE FONDO
Un tramo central, donde se ubica la rejilla.
Un tramo hueco que tiene en su interior la galería, que conduce el agua que entra
por la rejilla hasta el canal. Al final de la galería se prevé la instalación de una
compuerta, que permite cerrar el paso de flujo hacia las obras para su
mantenimiento y limpieza.
En vista que una gran cantidad de arena y piedras pequeñas pasan por la
rejilla, es necesario construir un desripiador eficiente a continuación de la toma.
(Krochin, 2010)
FIGURA N° 2.1 PARTES DE UNA TOMA TIROLESA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
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2.5 REJILLA
Una toma caucasiana o de fondo debe cumplir con las características apropiadas para poder
satisfacer las necesidades y requerimientos del proyecto.
Se debe garantizar que con la inclinación establecida para la rejilla facilite el paso de
sedimentos sobre esta; esto dependerá de las características de dicho material.
Según Krochin la rejilla debe tener una inclinación con la horizontal entre 0° y 20% para
facilitar el paso de las piedras, pero según Bouvard se podría llegar hasta 40°.
Para disminuir el riesgo de obstrucción de la rejilla, se podrá colocar una rejilla gruesa,
formada por perfiles de mayor dimensión, evitando así el paso de materiales más gruesos,
esto se podrá lograr sólo si las condiciones del sitio en donde se pretende implantar la
estructura lo permiten.
Es fundamental asegurar la capacidad de captación de la obra, esto se lo consigue con un
espaciamiento adecuado entre barrotes, el mismo que dependerá del área disponible en el
sector de la toma y del diámetro máximo de partículas que pasen a través de los barrotes,
por lo que es necesario determinar las condiciones de transporte de sedimentos en el sector
donde se vaya a realizar la construcción de la obra de toma. El material que no ingrese a la
cámara de captación o galería, continuará su recorrido hacia aguas abajo del cauce, por lo
que el flujo deberá tener velocidades que garanticen el paso de dicho material, caso
contrario todo este material quedará dispuesto sobre la rejilla obstruyendo la sección
efectiva de ingreso.
Los barrotes de la rejilla están dispuestos en dirección de la corriente e inclinadas con
dirección aguas abajo, con la finalidad de que el material que arrastre el río pase hacia
aguas abajo. Los barrotes deben ser estructuralmente resistentes al paso de las piedras que
transporta el río. Por lo general el material de los barrotes es hierro, tienen diferentes
formas (sección rectangular, circular, ojival o trapecial); se escogerá la sección en función
de los requerimientos del proyecto y de las características del material de arrastre,
generalmente el rectangular.
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Las partículas más pequeñas que pasen entre barrotes, ingresan con el agua al canal
colector, de donde deben ser separadas por medio de un desarenador. Recientes
investigaciones (Laboratoire de Constructions Hydrauliques Ecole Politechnique Federale
de Lausanne, 2006) han determinado que rejillas colocadas sobre la cara de aguas abajo
de un azud, en sentido transversal al flujo, evitan el ingreso de material fino con un mínimo
de obstrucción y necesidad de limpieza. La rejilla se instala sobre la cara de aguas abajo,
siguiendo el perfil de escurrimiento del azud. (SUSTENTABLE), 2010).
2.5.1 LONGITUD DE LA REJILLA
El autor Sviatoslav Krochin (2010) recomienda que la longitud de la proyección horizontal
de la rejilla no sea mayor a 1,25 metros, de tal manera que sus dimensiones sean adecuadas
para que puedan resistir el paso de grandes piedras.
Para la definición del largo de la rejilla, Frank recomienda afectar Lmin por un factor que
varía entre 1.5 a 2.0 para pendientes de la rejilla entre 20 y 30 %. (SUSTENTABLE),
2010)
2.6 GALERÍA
El agua que se ha captado a través de la rejilla, pasa por un canal colector, que no es más
que una cámara de captación (galería) que tiene como función receptar y transportar el
agua, incluso el material sólido que se ha captado a través de la rejilla; este canal se lo debe
dimensionar de tal manera que pueda evacuar el caudal para el que fue diseñada la rejilla o
sea el caudal de diseño del proyecto.
El desarrollo del flujo sobre la rejilla puede considerarse como bidimensional, mientras
que en la cámara de captación presenta un flujo tridimensional. (PIZANO, 2002)
S. Krochin (2010), recomienda que la velocidad inicial del agua sea de 1,0 m/s al entrar en
el canal colector y de 2,0 a 3,0 m/s al salir para garantizar que las piedras y arena que han
pasado por la rejilla sean evacuadas hacia el desarenador. (SUSTENTABLE), 2010)
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Para garantizar que todos los sedimentos que han ingresado por la rejilla al canal colector,
este deberá tener una pendiente adecuada para que el material sea evacuado fácil y
rápidamente.
2.7 DESARENADOR
En ninguna obra de captación se podrá evitar el paso de sedimentos hacia el proyecto, a
pesar de que la implantación de la toma caucasiana sea propia de ríos de montaña con
arrastre de sedimentos relativamente bajos; si las cantidades son pequeñas este material
pasará por la rejilla y si no se lo capta mediante una estructura complementaria, este podrá
obstruir las demás obras impidiendo el paso adecuado del agua y reduciendo el caudal
requerido para el proyecto.
La estructura complementaria que se deberá construir para captar los sedimentos que han
pasado por la rejilla se denomina desarenador y tiene como función captar todo tipo de
material que ingrese y regresarlos al río.
Hofer-1979 (Drobir) plantea el diseño de este elemento en función del caudal medio.
En la etapa de diseño se deberá tener en cuenta algunas consideraciones:
Considerar que las partículas están distribuidas uniformemente.
Se tiene flujo laminar alrededor de las partículas.
Durante el análisis y diseño de un desarenador se debe considerar los siguientes factores:
Temperatura
Viscosidad del agua
Tamaño de las partículas de arena
Velocidad de sedimentación de la partícula
Una vez conocidas estas consideraciones, el proyectista en su diseño deberá garantizar las
siguientes condiciones:
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El dimensionamiento del desarenador será tal que deberá permitir la retención del
material sólido que tenga diámetros mayores al diámetro máximo permitido por las
condiciones de escurrimiento de la estructura de conducción.
Durante las operaciones de limpieza todo el material que ha logrado ingresar deberá
ser evacuado rápidamente.
La implementación de un desarenador es fundamental en la construcción de captaciones, si
no se dispone de esta estructura, se producirán algunos daños considerables; uno de ellos es
que debido a la sedimentación la sección del canal de conducción disminuirá teniendo que
aumentar los procesos de mantenimiento de la obra. La realización de pruebas de
laboratorio sobre un modelo físico en el cual se pueden apreciar las condiciones de la
fuente, contribuirán en la realización del diseño de un desarenador eficiente; sin embargo
los altos costos que implica la realización de estas pruebas comparadas con la inversión que
requiere la construcción de la estructura del proyecto, exigen asimilar teorías como la teoría
básica de la sedimentación, la cual establece que la velocidad de sedimentación de
partículas discretas en un fluido en reposo se obtiene considerando las fuerzas que actúan
sobre la partícula; como son:
Fuerza de flotación (Ff): Igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula.
Fuerza Gravitacional (Fg): Dada por la fórmula de Newton.
Fuerza de fricción (Fr)
Cuando existe equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza gravitacional, la partícula se
encuentra en estado estático.
Cuando no existe equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza gravitacional, se produce
la sedimentación de las partículas. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 183)
2.7.1 ZONAS DE UN DESARENADOR
Un desarenador consta de cuatro zonas y se debe proveer de dispositivos que hagan
eficiente el proceso de sedimentación.
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FIGURA N° 2.2 ZONAS DE UN DESARENADOR
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
2.7.1.1 ZONA DE ENTRADA
Es la cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la
captación. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 192)
En esta zona podemos distinguir las siguientes estructuras:
2.7.1.1.1TRANSICIÓN
Las transiciones se diseñan siempre y cuando exista cambio entre una sección y otra; esto
ocurre en los siguientes casos:
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Cuando las condiciones de trazado presenten cambios de pendiente y posiblemente
de las dimensiones de la sección.
Cuando las indicaciones geotécnicas del trazado atribuyen cambios en los tipos de
sección.
Cuando se vaya a disminuir o aumentar caudales teniendo así que realizar algún tipo
de modificación de la capacidad de los canales.
Al comienzo y al final de estructuras especiales, para enlazarlas con el canal, como
son puentes- canales, sifones invertidos, etc.
La transición se diseña con la finalidad de:
Minimizar las pérdidas localizadas de energía
Evitar ondas, particularmente las cruzadas
Eliminar excesos de turbulencia.
Existen dos tipos de transición:
Las contracciones que suponen un cambio de una sección a otra de menores
dimensiones.
Las expansiones que suponen un cambio de una sección a otra de mayores
dimensiones.
La forma que adoptarán este tipo de transiciones depende de:
Las formas que tengan las secciones de entrada y salida de la transición.
Las condiciones del flujo de entrada y salida que se presente en la transición, ya
sean estos subcrítico o supercrítico.
La disponibilidad de energía que puede perderse en la transición en determinadas
circunstancias, como cuando existe un desnivel apreciable entre el origen y el
destino del canal, puede perderse energía sin mayores consecuencias, pero en sitios
muy planos ocurre que se pierde energía con algunas consecuencias, cuando se
tenga este caso se tendrá que diseñar transiciones con las que se tenga un mínimo de
pérdidas de energía.
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Toda transición ocasiona, en principio, un flujo rápidamente variado y una pérdida
localizada de energía producto de los efectos de la resistencia de forma y superficie; esto
quiere decir que una transición de forma hidrodinámica tendrá pérdidas mucho menores
comparadas con otra más brusca, con la desventaja de que esta será más costosa.
FIGURA N° 2.3 TIPOS DE TRANSICIONES DE CANALES RECTANGULARES A
TRAPECIALES
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
2.7.1.2 ZONA DE SEDIMENTACIÓN
Las características de régimen de flujo en esta zona, permiten la remoción de sólidos del
agua. (Corcho Romero & Duque Serna, 2005, pág. 192)
La teoría de funcionamiento de esta zona se basa en las siguientes condiciones:
Las características de asentamiento en esta zona ocurre como el asentamiento que se
produciría en un recipiente con fluido en reposo de la misma profundidad.
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A la entrada de la zona de sedimentación la disposición de las partículas ocurre en
forma homogénea.
La velocidad horizontal del fluido es menor que la velocidad de arrastre de lodos,
una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las
partículas en el desarenador es una línea recta
2.7.1.2.1 CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN
Cuando se produce un aumento de la sección transversal las partículas sólidas caen al
fondo, proceso que ocurre debido a la disminución de la velocidad.
Según Dubat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar
diversas materias constan en la tabla 3.1:
TABLA N° 2.1 VELOCIDADES LIMITE POR DEBAJO DE LAS CUALES EL
AGUA CESA DE ARRASTRAR DIVERSAS MATERIAS
MATERIA VELOCIDAD (m/s)
Arcilla 0.081
Arena Fina 0.160
Arena Gruesa 0.216
Fuente: (Krochin, 2010, pág. 124)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
2.7.1.3 ZONA DE LODOS
Su principal función es la de recibir y almacenar los sedimentos en el fondo del
desarenador.
En su diseño debe considerarse los siguientes aspectos:
La forma en que serán removidos los lodos.
La velocidad horizontal que tenga el agua en el fondo.
La sección transversal de un desarenador puede ser de cualquier forma, aunque las más
usuales son de forma rectangular o trapezoidal ya sean estas simples o compuestas y se las
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debe diseñar para velocidades que pueden variar entre (0.1 y 0.4) m/s, con una
profundidad entre (1.5 y 4) m. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a
1:8 (Krochin, 2010, pág. 125)
Desarenador de forma rectangular
Se debe considerar que las paredes van a soportar la presión de la tierra y por lo tanto se
diseñarán como muros de sostenimiento.
Desarenador de forma trapezoidal
Esta forma es hidráulicamente más eficiente y económica, las paredes trabajan como simple
revestimiento, dependiendo del tipo de suelo.
2.7.1.3.1 COMPUERTA DE LAVADO
Hay que considerar que en época de lluvias al sistema ingresarán mayor cantidad de
sedimentos arrastrados por el río, por lo tanto es necesario considerar la implementación de
una compuerta, su función principal es la de evacuar rápidamente todo el material que ha
ingresado al sistema.
Las dimensiones de la compuerta de limpieza están en función de las condiciones que el
diseñador requiera para evacuar los sedimentos; se tendrá en cuenta aspectos como:
régimen de caudales de ingreso, características del movimiento de sedimentos en el lugar
de la toma y condiciones de operación del sistema receptor.
Las dimensiones de la abertura de la compuerta dependerán de factores como:
Densidad del material
Diámetro de los granos
Tiempo de limpieza.
Las bases para el diseño de la compuerta se basan en los principios del movimiento de
sedimentos.
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Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador
generalmente se le da una gradiente fuerte del 2 al 6 %. Cuando el desarenador es muy
largo, la fuerte gradiente del fondo puede resultar en profundidades muy grandes al final,
junto a las compuertas de lavado; por esto, muchas veces se divide la cámara
longitudinalmente en dos partes. (Krochin, 2010)
La característica de este desarenador es que los procesos de sedimentación y evacuación se
realizan simultáneamente. Se recomienda realizar la construcción de este desarenador
cuando la cantidad de agua disponible en el rio sea considerablemente mayor que la que se
necesita captar para el proyecto.
2.7.2.1.2 DESARENADORES DE LAVADO INTERMITENTE
La característica de este desarenador es que los sedimentos son almacenados y luego de
realizar el proceso de expulsión en movimientos separados. Son los más comunes y el
proceso de lavado se procura hacerlo en el menor tiempo posible, para de esta manera
reducir al mínimo las pérdidas de agua.
2.7.2.2 EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO
DE BAJA VELOCIDAD
V < 1 m/s (0.20 - 0.60) m/s (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)
DE ALTA VELOCIDAD
V > 1 m/s (1.00 – 1.50) m/s (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)
2.7.2.3 POR LA DISPOSICIÓN DE LOS DESARENADORES
EN SERIE
Formado por dos o más depósitos, dispuestos uno a continuación del otro.
21
EN PARALELO
Formado por dos o más depósitos dispuestos paralelamente.
2.7.2.4 DESARENADORES DE FLUJO HORIZONTAL
En instalaciones en donde se tenga poblaciones con poca demanda de habitantes, la
implementación de este tipo de desarenador es adecuada; consisten en un ensanchamiento
de canal de penetramiento de manera que se reduzca la velocidad de flujo y las partículas
decanten. Debe diseñarse con un canal paralelo para proceder a su limpieza la cual es
llevada a cabo de forma manual. Usualmente su instalación se la realiza con un canal
Parshall a la salida que permite medir el canal y a la vez mantener constante la velocidad.
2.7.2.5 DESARENADORES DE FLUJO VERTICAL
Se diseñan mediante tanques que tienen una velocidad ascensional de agua de manera que
sea posible la decantación de las arenas. Suelen ser depósitos tronco-cilíndricos con
alimentación tangencial. (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)
2.7.2.6 DESARENADORES DE FLUJO INDUCIDO
Son de tipo rectangulares aireados. En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos
moto-soplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la decantación de
las arenas y genera una corriente de fondo. El aire provoca la separación de las materias
orgánicas. (Choquehuanca Chamorro, y otros, 2011)
2.7.2.7 DESARENADORES DE ALTA RATA
Consisten en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente
láminas paralelas, dispuestos con un ángulo de inclinación con la finalidad de que el agua
ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores
que las que se utilizan en desarenadores convencionales; por ende son más funcionales,
ocupan menos espacio, más económico y eficiente. (Choquehuanca Chamorro, y otros,
2011)
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2.7.2.8 DESARENADOR DE VÓRTICE
Este tipo de desarenador consiste en la formación de un vórtice inducido mecánicamente,
que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Estos incluyen dos diseños:
Cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena
Cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva.
A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan
la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo
retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena.
El modelo de mi proyecto de investigación de la captación del río Boquerón tiene un
desarenador de lavado intermitente.
FIGURA N° 2.4 ESQUEMA DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
23
2.8 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
Debido a las características que presentan los ríos, estos se convierten en el principal agente
de transporte de sedimentos. El transporte de sedimentos es un fenómeno complejo que está
en función de las características propias de la cuenca y las características del río; la primera
característica indica la cantidad, naturaleza y propiedades físicas de los materiales
disponibles para el transporte; y la otra indica, la capacidad del sistema hidráulico para
transportar dichos materiales.
Por lo general los procesos de transporte de sedimentos no son continuos en el tiempo y en
el espacio, comúnmente se intercalan períodos de arrastre y de sedimentación con
intervalos de tiempo irregulares y relativamente altos entre ellos.
Para evaluar y analizar dicho transporte se mide la carga de sedimentos, conformada por la
cantidad de partículas sólidas que se mueven por la acción del agua en una unidad de
tiempo. También es necesario medir la concentración de sedimentos, que consiste en la
relación entre la cantidad de sólidos en un determinado volumen de agua y el volumen de la
muestra.
2.9 CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS
Los sedimentos naturales están constituidos por un sin número de partículas de diferente
tamaño, forma y densidad. Si a estos los clasificamos considerando la resistencia que estos
oponen a ser arrastrados se distinguen dos clases: cohesivos y no cohesivos.
2.9.1 SEDIMENTO NO COHESIVO
También llamado material granular, es el aquel material formado por granos gruesos, como
arenas y gravas. La fuerza de gravedad predomina sobre cualquier otra fuerza, debido a esta
condición todas las partículas gruesas tienen un comportamiento similar. El peso es la
fuerza principal que resiste las fuerzas de arrastre y sustentación.
A lo largo de los cursos de corrientes naturales es común observar que los materiales no
cohesivos son predominantes.
24
2.9.2 SEDIMENTO COHESIVO
Formado por partículas de grano muy fino, constituidas por minerales de arcilla, actúa la
fuerza de cohesión la que hace que se mantengan unidas entre sí, y además se opone a que
las partículas individuales sean separadas del conjunto.
Esa fuerza de unión es considerablemente mayor que el peso de cada grano, y es la que
resiste a las fuerzas de arrastre y sustentación.
2.10 PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS
Las características que definen los procesos de suspensión, transporte y posterior expulsión
del sedimento no dependen únicamente de las condiciones de flujo, también dependen de
las propiedades del sedimento.
2.10.1 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS
Para la determinación del tamaño de una partícula se emplean diferentes métodos, los
cuales consisten en la selección arbitraria del diámetro o también en la selección de un
método conveniente de medición.
25
TABLA N°2.2: CLASIFICACIÓN DE SEDIMENTOS POR TAMAÑOS
NOMBRE TAMAÑO TAMIZADO S
UE
LO
S G
RA
NU
LA
RE
S
CANTO RODADO
Muy grande
Grande
Mediano
Pequeño
4m – 2m
2m – 1m
1m – 0.5m
0.5m – 0.25m
GUIJARRO
Grande
Pequeño
256mm – 128mm
128mm – 64mm
GRAVA
Muy Gruesa
Gruesa
Mediana
Fina
Muy Fina
64mm – 32mm
32mm – 16mm
16mm – 8mm
8mm – 4mm
4mm – 2mm
Pasa el tamiz 3 plg y es
retenido por el tamiz N°4
ARENA
Muy gruesa
Gruesa
Mediana
Fina
2mm – 1mm
1mm - 1
2mm
1
2mm -
1
4mm
1
4mm -
1
8mm
Pasa el tamiz N° 4 y es
retenido por el tamiz
N°200
SU
EL
OS
CO
HE
SIV
OS
LIMO
1
16mm -
1
256mm
Pasa el tamiz N°200
ARCILLA 1
256mm -
1
4096mm Pasa el tamiz
N°200
FUENTE: (BOLINAGA, 1979)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
26
2.10.2 FORMA DE LAS PARTÍCULAS DEL SEDIMENTO
La forma se define a través de la redondez, esfericidad y factor de forma.
Redondez: Relación entre el radio medio de curvatura de las aristas de la partícula y el
radio de la circunferencia inscrita en la partícula. (Weber I. J., 2003)
Esfericidad: Relación entre el área superficial de una esfera de volumen equivalente y el
área superficial de la partícula. (Weber I. J., 2003)
Factor de forma: Se define por la relación. (Weber I. J., 2003)
2.10.3 PESO ESPECÍFICO DE LAS PARTÍCULAS DE SEDIMENTO
Debido a su gran estabilidad, el cuarzo es el mineral más común en la composición de los
sedimentos transportados por el viento o el agua. Por tanto el peso específico relativo de
las arenas es muy parecido al cuarzo (2.65). Los feldespatos también forman parte de la
composición de las arenas y tienen un peso específico relativo variable entre 2.55 y 2.76.
En alguna proporción puede existir magnetita cuyo peso específico relativo es 5.17.
(Weber I. J., 2003)
2.10.4 VELOCIDAD DE CAÍDA DE LAS PARTÍCULAS
Cuando una partícula cae dentro de un líquido en reposo, su peso sumergido tiende a
equilibrarse con la fuerza que se opone a su caída, o sea con la fuerza de empuje que el
agua ejerce contra ella. En el instante en que ambas fuerzas se equilibran, la partícula
alcanza su velocidad de caída final, a partir de ese instante la partícula comienza a caer con
velocidad uniforme.
2.10.5 DISTRIBUCIONES GRANULOMÉTRICAS
Los sedimentos naturales están compuestos de granos que tienen una amplia variedad de
velocidades de caída y diferentes tamaños.
27
TABLA N° 2.3: MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
NOMBRE FORMA LIMITACIONES VENTAJAS
MEYER-PETER Y
MULLER Una Ecuación
No aplicable si hay
mucho sedimento
suspendido
Dimensionalmente
homogénea – buena
para material
granular
EINSTEIN
Ecuaciones y
gráficos para
resolverlas
Buena cuando hay
poca carga
suspendida.
Requiere medición
precisa de la
pendiente del cauce
– método laborioso
Dimensionalmente
homogénea – puede
calcular el gasto de
fondo y suspendido
por separado
BLENCH Una ecuación
Solo aplicable a ríos
de arena con dunas –
el río debe estar en
régimen no es
dimensionalmente
homogénea
Ecuación sencilla,
buena para canales
en régimen
COLBY
Ecuaciones y
gráficos para
resolverlas
No es homogénea –
válida para ríos con
profundidad < 3m.
Solo para cauces con
fondo de arena
Sencilla- toma en
cuenta la carga
suspendida – buenos
resultados para
profundidades < 3m
TOFFALETI
Tres ecuaciones para
cálculo en tres
veintenas de distinta
profundidad
Válida sólo para ríos
muy grandes –
fórmulas elaboradas
y largas – no es
dimensionalmente
homogénea
Cálculo gasto total
de sedimentos,
confiable para
grandes ríos
28
CONTINÚA TABLA N° 2.3: MÉTODOS DE CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS
EINSTEIN
MODIFICADO
POR COLBY Y
HEBREC
Método analítico con
varias ecuaciones y
gráficos
Sólo aplicable para
ríos donde se ha
medido
concentración de
sedimentos – deben
ser arenas
Muy confiable para
el cálculo del
transporte total
EINSTEIN
MODIFICADO
POR COLBY Y
HUBBELL
Método Gráfico
Sólo aplicable para
ríos donde se han
medido
concentraciones de
sedimentos en el
rango de arenas
Muy confiable para
el cálculo del
transporte total
Fuente: (BOLINAGA, 1979)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
29
CAPÍTULO 3
3. MODELACIÓN HIDRÁULICA
3.1 INTRODUCCIÓN A LA MODELACIÓN HIDRÁULICA
Modelación hidráulica es la representación física a escala mediante modelo físicos
reducidos, que tiene como punto de partida identificar las fuerzas predominantes en la
estructura estudiada, se complementa con una correcta selección de escalas y finalmente se
observa el comportamiento del modelo para analizar y predecir los posibles problemas y
soluciones del prototipo o estructura real; en donde además se deben considerar los
denominados “efectos de escala”.
3.2 MODELOS FÍSICOS REDUCIDOS
Un modelo físico es la representación de una estructura construida en campo (prototipo) a
determinada escala e implantado en un Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas
(modelo); por lo general se usan durante las etapas de diseño para identificar en el modelo
los problemas que podrían presentarse en el prototipo para de esta manera corregir defectos
y asegurar la construcción de una estructura óptima y asegurar una operación apropiada de
la misma.
La construcción de un modelo tiene como objetivo principal ayudar a los ingenieros
encargados del diseño de determinada estructura hidráulica a realizar la selección definitiva
del diseño más conveniente y apropiado; después de observar y analizar el comportamiento
que tendrá la estructura a ser construida en campo (prototipo) a través del modelo.
3.3 VENTAJAS DE LA MODELACIÓN FÍSICA
Tridimensionalidad.
En un modelo el flujo es tridimensional. Esta es una gran diferencia con respecto a la mayor parte
de las fórmulas que se emplea en la Hidráulica, las que corresponden a modelos bidimensionales.
Adicionalmente, el modelo permite apreciar el funcionamiento de la estructura en tres
dimensiones. (Felices, 2003)
30
Un modelo permite el estudio de diversas condiciones de diseño y operación.
Se puede variar los caudales, la cantidad de sólidos arrastrados y otras características del
escurrimiento con gran facilidad.
El modelo permite: el estudio y análisis de varias alternativas de diseño antes de la
selección definitiva.
3.4 ASPECTOS SIGNIFICATIVOS A TOMAR EN CUENTA PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO HIDRÁULICO
Necesidad de un modelo
Existen algunos puntos a tomar en cuenta para la construcción de un modelo hidráulico,
entre ellos tenemos:
Importancia de la estructura en estudio; si la estructura en estudio requiere de
mucha inversión, además si esta es de vital importancia para la sociedad y que un
mal funcionamiento de esta conllevaría pérdidas irreparables, es necesario la
investigación en un modelo.
Cuando la teoría requerida para el diseño es incompleta, inaplicable o inexistente.
(Felices, 2003)
Elevar el grado de seguridad de la estructura; Mediante la investigación
realizada en un modelo físico, se podrá visualizar el comportamiento de la
estructura en cuatro dimensiones (espacial + comportamiento durante el tiempo) y
lo más importante es que se podrá observar problemas que no habían sido previstos
durante el diseño realizado en gabinete.
El costo de un modelo: Si comparamos la inversión realizada en la construcción de
un modelo con la inversión realizada en los diseños y construcción de la estructura
en estudio y en general de toda la obra; esta es sumamente baja, casi despreciable.
Permite además encontrar mejoras a realizar en el prototipo, existe la probabilidad
de un posible ahorro.
31
3.5 PRINCIPIOS DE SIMILITUD
Una investigación realizada en un modelo hidráulico permite al ingeniero reproducir ciertos
fenómenos que ocurren en la naturaleza, pero esto no siempre es posible debido a que los
fenómenos que en ella se presentan son muy complejos y difíciles de representarlos a la
perfección. Se debe procurar reproducir por lo menos una parte o aspectos considerables de
un fenómeno y en esa parte tratar de conseguir la mayor semejanza posible que sea
compatible con los fines prácticos que buscamos.
Mediante el estudio de la Teoría de Modelos, el cual consiste básicamente en aceptar el
principio de la similitud, denominado también “Principio de Semejanza”; se puede
conseguir representar a escala gran parte de estructuras hidráulicas. A un modelo de
ninguna manera se lo puede considerar como una maqueta.
Una vez construido un modelo a escala se debe asegurar en lo posible que dicho modelo
cumpla con la mayor parte de características del prototipo; es decir que este debe tener
semejanza geométrica en cuanto a su forma y tener semejanza cinemática y dinámica en
cuanto a su funcionalidad.
3.5.1 SIMILITUD GEOMÉTRICA
Se consigue semejanza geométrica entre el modelo y el prototipo cuando las relaciones
entre todas las dimensiones correspondientes son iguales.
El = 𝑳𝒑
𝑳𝒎
Donde:
EI = Escala de longitudes
Lp = Longitud del prototipo
Lm= Longitud del modelo
32
3.5.2 SIMILITUD CINEMÁTICA
Indica que las relaciones de las velocidades características del prototipo con respecto a las
del modelo son las mismas:
V= 𝑽𝒑
𝑽𝒎
Donde:
V = Velocidad
Vp = Velocidad del prototipo
Vm = Velocidad del modelo
(Chanson, 2002, pág. 299)
3.5.3 SIMILITUD DINÁMICA
El concepto básico de similitud dinámica puede establecerse como un requisito para que
dos sistemas, con fronteras geométricamente semejantes, tengan configuraciones de
flujo geométricamente semejantes, en tiempos correspondientes.
Así, todas las fuerzas individuales que actúan sobre los elementos de masa
de los correspondientes fluidos, pueden ser debidas o a una fuerza del cuerpo tal como el
peso, en un campo gravitacional, a fuerzas superficiales, resultantes de los gradientes
de presión, esfuerzos viscosos o la tensión superficial.
Hay semejanza dinámica entre el modelo y el prototipo cuando las relaciones entre fuerzas
homólogas son iguales. Las condiciones para la semejanza dinámica completa se obtiene
del segundo principio de Newton Σ F = m*a. Entre modelo y prototipo se desarrolla la
siguiente relación de fuerzas:
∑𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂𝒔 𝒎𝒐𝒅𝒆𝒍𝒐
∑𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂𝒔 𝒑𝒓𝒐𝒕𝒐𝒕𝒊𝒑𝒐 =
𝒎𝒎∗𝒂𝒎
𝒎𝒑∗𝒂𝒑
33
Donde:
mm = Masa del modelo
am = Aceleración del modelo
mp = Masa del prototipo
am = Aceleración del prototipo
En la mayoría de los casos de la ingeniería hidráulica, no es factible, económica ni
técnicamente la similitud dinámica completa; sin embargo, es posible y científicamente
justificable el utilizar los criterios de la similitud dinámica restringida. Esto significa, que
el ingeniero debe seleccionar las fuerzas predominantes en determinado fenómeno
hidráulico y garantizar, con el diseño y la operación en el modelo, que exclusivamente
dichas fuerzas se encuentran simuladas en la escala correspondiente y en forma
apropiada. (Castro, Hidalgo, & Poveda)
3.6 ANÁLISIS DIMENSIONAL
Si se tienen en cuenta todos los parámetros básicos, el análisis dimensional arroja:
AD1 (ƿ, ư, σ, Eb, g, L, V, ΔP) = 0
Existen 8 parámetros básicos, cuyas dimensiones pueden agruparse en 3 categorías: masa
(M), longitud (L) y tiempo (T). El teorema de Buckingham II implica que las cantidades
pueden agruparse en 5 parámetros adimensionales independientes:
AD2 (𝑽
√𝒈𝑳;
ƿ𝑽𝟐
𝜟𝑷;
ƿ𝑽𝑳
ư;
𝑽
√𝝈
ƿ𝑳
; 𝑽
√𝑬𝒃
ƿ
)
AD2 (Fr; Eu; Re; We; Ma)
(Chanson, 2002)
34
3.6.1 SEMEJANZA DE FROUDE (Fr)
Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas
gravitacionales. La fuerza que predomina en un flujo con una superficie libre es la de
gravedad:
Frp = Frm
3.6.2 SEMEJANZA DE EULER (Eu)
Proporcional a la relación entre las fuerzas inerciales y las de presión.
3.6.3 SEMEJANZA DE REYNOLDS (Re)
Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas
viscosas. Cuando tenemos flujo a presión y velocidad inferior a la del sonido, la fuerza
predominante es la de viscosidad:
Rep = Rem
3.6.4 SEMEJANZA DE WEBER (We)
Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas de
capilaridad (tensión superficial);
Wep = Wem
3.6.5 SEMEJANZA DE MACH (Ma)
Representa la relación existente entre las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas
elásticas. La fuerza que predomina en un flujo a presión es la de compresibilidad:
Map = Mam
Considerando que los fluidos más comunes son el aire y el agua y que la modelación
hidráulica de flujos con superficie libre (ríos) se desarrolla con el mismo fluido en este caso
particular agua; tanto en el modelo como en el prototipo, utilizaremos la similitud particular
35
de Froude para determinar la escala correspondiente con que se construirá el modelo de la
toma caucasiana del río Boquerón.
3.7 SIMILITUD DE FROUDE
El número de Froude se utiliza para realizar modelos a escala en donde se tenga flujos con
superficies libres (ríos), flujos en canales abiertos y estructuras hidráulicas.
Frp = Frm
Escala de velocidades
𝑽𝒑
√𝒍𝒑∗𝒈𝒑 =
𝑽𝒎
√𝒍𝒎∗𝒈𝒎
𝑽𝒑
𝑽𝒎 = √𝝀 ∗
𝒈𝒑
𝒈𝒎
𝐃𝐨𝐧𝐝𝐞:
𝐕𝐩 = Velocidad en prototipo
𝐕𝐦 = Velocidad en modelo
𝐥𝐩 = Longitud en prototipo
𝐥𝐦 = Longitud en modelo
𝐠𝐩 = Gravedad en prototipo
𝐠𝐦 = Gravedad en modelo
𝝀 = Escala del modelo
Y si gp=gm
𝑽𝒑
𝑽𝒎 = √𝝀
𝐃𝐨𝐧𝐝𝐞:
𝐕𝐩 = Velocidad en prototipo
𝐕𝐦 = Velocidad en modelo
𝝀 = Escala del modelo
36
Escala de caudales (Q = A*V)
𝑸𝒑
𝑸𝒎 =
𝑨𝒑
𝑨𝒎 *
𝑽𝒑
𝑽𝒎
𝑸𝒑
𝑸𝒎 = 𝝀(𝟓
𝟐⁄ )
𝐃𝐨𝐧𝐝𝐞:
𝐐𝐩 = Caudal en prototipo
𝐐𝐦 = Caudal en modelo
𝐀𝐩 = Área en prototipo
𝐀𝐦 = Área en modelo
𝐕𝐩 = Velocidad en prototipo
𝐕𝐦 = Velocidad en modelo
𝝀 = Escala
3.7.1 CONSIDERACIONES PARA LA DETERMINACIÓN DE ESCALAS
Escogido el criterio de similitud se debe proceder a la determinación de las escalas del
modelo. En la selección de las escalas intervienen algunos factores como las exigencias
teóricas originadas en el Parámetro Característico de la Información y las circunstancias de
tipo práctico vinculadas al Laboratorio y a los objetivos de la investigación. Al determinar
una cierta escala; esta podría resultar satisfactoria desde el punto de vista teórico, pero a la
vez podría no ser compatible con las instalaciones que se tengan en el laboratorio.
Por lo tanto, para la selección definitiva de escalas se requiere no sólo el conocimiento
profundo de las circunstancias teóricas aplicables, también es necesario conocer las
condiciones del laboratorio en el que se va a realizar la investigación, tales como: espacio
disponible, capacidad de bombas instaladas, precisión de los instrumentos existentes y
muchos otros factores más.
37
3.7.2 SELECCIÓN DE ESCALA
Debido al espacio físico y capacidad de las bombas disponibles con que cuenta el
Laboratorio de Hidráulica de la FICFM de la UCE, se optó por escoger la escala 1:4.
TABLA N°3.1: ESCALAS DEL MODELO HIDRÁULICO
DIMENSIONES PROTOTIPO MODELO
CAUDALES
Q 80
m3/s
Q 10
m3/s
Q diseño
m3/s
Q 80
l/s
Q 10
l/s
Q diseño
l/s
0.18 0.42 1.5 Esc 1:4 Esc 1:4 Esc 1:4
5.6 13.1 46.9
LONGITUDES m m
Ancho río 4 1
Ancho rejilla 4 1
Longitud rejilla 1 0.25
Longitud
transición 5 1.25
Longitud
desarenador 13.90 3.475
Ancho desarenador 3 0.75
Longitud vertedero 1 0.25
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
38
3.8 CÁLCULOS REALIZADOS PARA DETERMINAR LAS DIMENSIONES DE
LAS ESTRUCTURAS
Como se mencionó en el Capitulo 1, el Consejo Provincial de Pichincha nos proporcionó
los planos, y detalles constructivos de la captación a implementarse en el río Boquerón; con
esta información procedí a realizar los cálculos para la construcción del modelo hidráulico
en el Laboratorio.
3.8.1 DISEÑO DE LA REJILLA
En cuanto a las dimensiones que tendrá la rejilla de entrada en el modelo; la información es
la siguiente:
FIGURA N° 3.1 ESQUEMA DE LA REJILLA DE FONDO
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
39
DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA DE FONDO
Qd= Caudal de diseño 0.046875 m3/s
b= Ancho de la rejilla 1 m
f= Coeficiente de obstrucción 0.2
i= Inclinación de la rejilla 0.09 %
S= Espaciamiento 1.75 cm
t= Ancho pletina 0.435 cm
e= Alto pletina 1.3 cm
L= Longitud de la rejilla 0.25 m
3.8.1.1 CÁLCULO DE DEL COEFICIENTE QUE REDUCE EL ÁREA TOTAL EN
ÁREA EFECTIVA DISPONIBLE PARA EL PASO DEL AGUA k
k= (1-f) * 𝑺
𝑺+𝒕
Donde:
f= Porcentaje de la superficie que queda obstruida por las arenas y gravas que se incrustan
entre las rejas. Krochin recomienda tomar valores entre (15-30) %. Para este cálculo se
tomó un valor de 25%.
S= Espaciamiento entre barrotes
t= Ancho de un barrote
k= (1-0.25) * 1.75
1.75 +0.435
k= 0.640
3.8.1.2 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN QUE VARÍA EN
FUNCIÓN DE LA DISPOSICIÓN DE LOS HIERROS DE LA REJILLA C
C= Coeficiente de contracción que varía en función de la disposición de los hierros de la
rejilla
C = Co – 0.325i
Donde:
i= Inclinación de la rejilla
S= Espaciamiento entre barrotes
40
e = Alto de la platina
Co= 0.6 para e/s>4
Co= 0.5 para e/s<4
𝒆
𝑺 =
1.3
1.75 = 0.742857143
Como la relación e/s<4 tomamos Co=0.5
Entonces:
C = 0.5 – 0.325*0.09
C = 0.47075
3.8.1.3 CÁLCULO DEL ANCHO DE LA REJILLA
La rejilla en este estudio se construirá en todo el ancho del azud que es de
aproximadamente 4 metros en prototipo; en el modelo se tiene un ancho de 1 metro,
entonces:
b = 1 m
Donde:
b= Ancho de la rejilla
Se dispondrán 45 barrotes con un ancho de 0.435 cm, como se ilustra en la figura
N°3.2:
42
3.8.2 CÁLCULO DE LA GALERÍA
DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA
GALERÍA:
Qd= Caudal de diseño 0.046875 m3/s
Cf= Cota fondo del río 2800 msnm
L= Longitud de la rejilla 0.25 m
b= Ancho de la rejilla 1 m
s= Espaciamiento 0.0175 m
g= Gravedad 9.81 m/s2
Vf= Velocidad al final de la
galería
2.000 m/s
Vo= Velocidad al comienzo de la
galería
1 m/s
n= Rugosidad 0.035
El cálculo de la galería se realiza en forma tabulada como se indica a continuación en la
taba 3.2, dividiendo el ancho de 1 metro en 24 tramos iguales de 0.5 m.
43
TABLA N°3.2: CÁLCULOS REALIZADOS PARA LA GALERÍA
x Qx Vx+1 A d P R R^(4/3) i hf ∑hf V2/2g h' COTA FROUDE
0 0.000 1.000 0.000 0.000 0.250 0.000 0.000 0 0 0 0.051 0.051 2799.95 -
0.01 0.000 1.010 0.000 0.002 0.254 0.002 0.000 1.0259 0.0103 0.0103 0.052 0.064 2799.94 7.484
0.02 0.001 1.020 0.001 0.004 0.257 0.004 0.001 0.4288 0.0086 0.0188 0.053 0.065 2799.93 5.371
0.03 0.001 1.030 0.001 0.005 0.261 0.005 0.001 0.2628 0.0079 0.0267 0.054 0.067 2799.93 4.450
0.04 0.002 1.040 0.002 0.007 0.264 0.007 0.001 0.1882 0.0075 0.0342 0.055 0.070 2799.93 3.910
0.05 0.002 1.050 0.002 0.009 0.268 0.008 0.002 0.1468 0.0073 0.0416 0.056 0.072 2799.93 3.548
0.1 0.005 1.100 0.004 0.017 0.284 0.015 0.004 0.0736 0.0074 0.0489 0.062 0.086 2799.91 2.690
0.15 0.007 1.150 0.006 0.024 0.299 0.020 0.006 0.0532 0.008 0.0569 0.067 0.100 2799.90 2.348
0.2 0.009 1.200 0.008 0.031 0.313 0.025 0.007 0.0443 0.0089 0.0658 0.073 0.114 2799.89 2.167
0.25 0.012 1.250 0.009 0.038 0.325 0.029 0.009 0.0397 0.0099 0.0757 0.080 0.127 2799.87 2.061
0.3 0.014 1.300 0.011 0.043 0.337 0.032 0.010 0.0372 0.0112 0.0869 0.086 0.141 2799.86 1.995
0.35 0.016 1.350 0.012 0.049 0.347 0.035 0.011 0.0358 0.0125 0.0994 0.093 0.154 2799.85 1.955
0.4 0.019 1.400 0.013 0.054 0.357 0.038 0.013 0.0351 0.0141 0.1135 0.100 0.168 2799.83 1.931
0.45 0.021 1.450 0.015 0.058 0.366 0.040 0.014 0.0349 0.0157 0.1292 0.107 0.181 2799.82 1.919
0.5 0.023 1.500 0.016 0.063 0.375 0.042 0.014 0.0350 0.0175 0.1467 0.115 0.195 2799.81 1.916
0.55 0.026 1.550 0.017 0.067 0.383 0.043 0.015 0.0354 0.0195 0.1662 0.122 0.208 2799.79 1.919
0.6 0.028 1.600 0.018 0.070 0.391 0.045 0.016 0.0360 0.0216 0.1878 0.130 0.222 2799.78 1.927
0.65 0.030 1.650 0.018 0.074 0.398 0.046 0.017 0.0367 0.0239 0.2117 0.139 0.236 2799.76 1.938
0.7 0.033 1.700 0.019 0.077 0.404 0.048 0.017 0.0376 0.0263 0.2379 0.147 0.251 2799.75 1.953
0.75 0.035 1.750 0.020 0.080 0.411 0.049 0.018 0.0385 0.0289 0.2668 0.156 0.265 2799.73 1.971
0.8 0.038 1.800 0.021 0.083 0.417 0.050 0.018 0.0396 0.0317 0.2985 0.165 0.280 2799.72 1.991
0.85 0.040 1.850 0.022 0.086 0.422 0.051 0.019 0.0407 0.0346 0.3331 0.174 0.295 2799.70 2.012
0.9 0.042 1.900 0.022 0.089 0.428 0.052 0.019 0.0419 0.0377 0.3708 0.184 0.311 2799.69 2.036
0.95 0.045 1.950 0.023 0.091 0.433 0.053 0.020 0.0432 0.0411 0.4119 0.194 0.326 2799.67 2.060
1 0.047 2.000 0.023 0.094 0.438 0.054 0.020 0.0446 0.0446 0.4565 0.204 0.342 2799.66 2.085
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
44
FIGURA N°3.3 PERFIL DE LA SOLERA DE LA GALERÍA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
3.8.3 CÁLCULO DE LA COMPUERTA DE INGRESO AL CANAL QUE
CONECTA LA GALERÍA
Con base en las experiencias de Gentilini, Knapp propone una ecuación para calcular el
coeficiente de velocidad en compuertas verticales con descarga libre, en función de a/y1.
(Sotelo, 1995)
2799,60
2799,65
2799,70
2799,75
2799,80
2799,85
2799,90
2799,95
2800,00
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
CO
TAS
(msn
m)
POSICIÓN EN EL SENTIDO X (m)
45
FIGURA N°3.4 ESQUEMA DE UNA COMPUERTA PLANA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
3.8.3.1 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE VELOCIDAD
Cv = 0.960 + 0.0979 * 𝒂
𝒚𝟏 Ecuación 3.1
Donde:
Cv = Coeficiente de velocidad
a = Abertura de la compuerta
y1 = Calado aguas arriba de la compuerta
El Cv tiene como límite superior 1, este se alcanza para a/y1=0.408
Reemplazando el valor de Cv=1 en la ecuación 3.1; queda:
1 = 0.960 + 0.0979 * 𝑎
𝑦1
46
0.04 = 0.0979 * 𝑎
𝑦1
𝑎
𝑦1 = 0.408 Ecuación 3.2
a = 0.408 * y1 Ecuación 3.3
Cálculo del Q que pasa por la compuerta (Q):
Q = 𝑪𝒄∗𝑪𝒗∗𝒃∗𝒂
√𝟏+ 𝑪𝒄∗𝒂
𝒚𝟏
* √𝟐 ∗ 𝒈 ∗ 𝒚𝟏 Ecuación 3.4
Donde:
Q= Caudal
Cc= Coeficiente de contracción
Cv = Coeficiente de velocidad
b = Ancho de la compuerta
a = Abertura de la compuerta
y1 = Calado aguas arriba de la compuerta
Si reemplazamos la ecuación 3.3 en la ecuación 3.4; tenemos:
Q = 𝑪𝒄∗𝑪𝒗∗𝒃∗𝟎.𝟒𝟎𝟖∗𝒚𝟏
√𝟏+ 𝑪𝒄∗𝟎.𝟒𝟎𝟖∗𝒚𝟏
𝒚𝟏
* √𝟐 ∗ 𝒈 ∗ 𝒚𝟏
Coeficiente de contracción (Cc):
Cc = Á𝐫𝐞𝐚 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐭𝐫𝐮𝐢𝐝𝐚 𝐝𝐞 𝐥𝐚 𝐥á𝐦𝐢𝐧𝐚 𝐝𝐞 𝐚𝐠𝐮𝐚 𝐚 𝐥𝐚 𝐬á𝐥𝐢𝐝𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐨𝐫𝐢𝐟𝐢𝐜𝐢𝐨
Á𝐫𝐞𝐚 𝐨𝐫𝐢𝐟𝐢𝐜𝐢𝐨 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐮𝐞𝐫𝐭𝐚
Cc = Á𝒓𝒆𝒂 𝟐
Á𝒓𝒆𝒂 𝟏
Para fines prácticos, se recomienda un valor de Cc=0.62 para cualquier relación y1/a.
(Sotelo, 1995)
47
0.046875 = 0.62∗1∗0.25∗0.408∗𝑦1
√1+ 0.62∗0.408∗𝑦1
𝑦1
* √2 ∗ 9.81 ∗ 𝑦1
0.046875 = 0.06324∗𝑦1
√𝑦1+0.25296∗𝑦1
𝑦1
* √19.62 ∗ 𝑦1
0.046875 = 0.06324∗𝑦1
√𝑦1(1+0.25296)
𝑦1
* 4.429√𝑦1
0.046875 = 0.056 * y1 * 4.429√𝑦1
0.046875 = 0.250 * 𝑦14
3
0.187 = 𝑦14
3
y1 = 0.285 m = 28.47 cm
Si reemplazamos este valor en la ecuación 3.3; tenemos:
a = 0.408 * y1
a = 0.408 * 0.285
a = 0.116 m = 11.62 cm
Procedemos al cálculo de y2:
y2 = Cc * a
Donde:
Cc= Coeficiente de contracción
a = Abertura de la compuerta
y2 = Calado aguas abajo de la compuerta
y2 = 0.62 * 0.116
y2 = 0.072 m = 7.19 cm
48
3.8.4 DISEÑO DEL DESARENADOR
DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL
DESARENADOR:
Qdiseño= Caudal de diseño 0.046875 m3/s
wf(arena fina)= Velocidad de sedimentación 0.16 mm/s
w(arena gruesa)= Velocidad de sedimentación 0.216 mm/s
w(arcilla)= Velocidad de sedimentación 0.081 m/s
w(asumida)= Velocidad de sedimentación 0.2 m/s
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.
Procedimiento para el cálculo del desarenador:
3.8.4.1 DETERMINACIÓN DEL GRANO LÍMITE
La teoría de la desarenación se basa en la composición de velocidades.
Como lo menciona Krochin (2010) en su libro Diseño Hidráulico, el diámetro máximo de
la partícula admitido en sistemas de riego generalmente es de 0.5 mm. El valor del diámetro
máximo tomado por el Consejo Provincial de Pichincha es de 0.4 mm, entonces el valor del
diámetro máximo a escala para el modelo es de 0.1 mm. En función de este diámetro
tomaremos el valor de W (Velocidad de sedimentación) de la tabla 3.2:
49
TABLA N°3.3: VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN W (cm/s)
Fuente: (KROCHIN, 2010)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
3.8.4.2 VELOCIDAD DE ESCORRENTÍA
Vd = a * √𝒅
Donde:
Vd= Velocidad media de la corriente en m/s
a= Coeficiente en función del diámetro (d)
d= Diámetro del grano
d en mm Según Vedeneyev
0.05 0.173
0.10 0.692
0.15 1.560
0.20 2.160
0.25 2.700
0.30 3.240
0.35 3.780
0.40 4.320
0.45 4.860
0.50 5.400
0.55 5.940
0.60 6.480
50
TABLA N°3.4: VALORES PARA DETERMINAR a EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO
VALORES DE a VALORES DE d (mm)
36 >1mm
44 0.1 mm < d < 1 mm
51 >0.1 mm
FUENTE: (GTZ, 1991)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
Para d= 0.1 mm tomamos el valor de a=44
Vd = a * √𝒅
Vd = 44 * √0.1
Vd = 13.91 cm/s
Considerando un grano límite de 0.1 mm se usa una velocidad horizontal de la corriente de
0.1 m/s.
3.8.4.3 DIMENSIONES DEL DESARENADOR
LONGITUD DEL DESARENADOR
L = 𝒌∗𝒉∗𝑽𝒅
𝑾 Ecuación 3.7
Donde:
L= Longitud efectiva de sedimentación
h= Profundidad de sedimentación
Vd= Velocidad horizontal de la corriente
W = Velocidad de sedimentación
51
k = Componente normal de turbulencia (1.2 – 1.5) (KROCHIN, 2010); tomamos un valor
de 1.2 o lo podemos escoger en función de la tabla 3.4:
TABLA N°3.5: COEFICIENTE PARA EL CÁLCULO DE DESARENADORES DE
BAJA VELOCIDAD
VELOCIDAD DE ESCURRIMIENTO
(m/s)
k
0.20 1.25
0.30 1.50
0.50 2.00
FUENTE: (AGUA, 2010), TABLA 6
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
L = 1.2∗ 0.2∗0.1
0.00692
L = 3.5 m
ANCHO DEL DESARENADOR
b = 𝑸
𝒉 ∗𝑽𝒅
Donde:
b= Ancho del desarenador
Q= Caudal de diseño
Vd= Velocidad horizontal de la corriente
h= Profundidad de sedimentación
b = 0.046875
0.2 ∗0.1
b = 𝟎. 𝟒 𝒎
52
TIEMPO DE SEDIMENTACIÓN
t = 𝒉
𝑾
Donde:
t= Tiempo de sedimentación
h= Profundidad de sedimentación
W = Velocidad de sedimentación
t = 0.2
0.1
t = 4 seg
VOLUMEN DE AGUA CONDUCIDO EN ESE TIEMPO
V = Q * t
Donde:
V = Volumen de agua conducido
Q= Caudal de diseño
t= Tiempo de sedimentación
V = 0.046875 * 7.4
V = 0.35 m3
CAPACIDAD DEL TANQUE
V = b * h * L
Donde:
V = Volumen de agua conducido
b= Ancho del desarenador
53
h= Profundidad de sedimentación
L= Longitud efectiva de sedimentación
V = 0.39 * 0.4 * 3.3
V = 0.52 m3
Se comprueba que el Vtanque > Vagua. Para facilitar el lavado el desarenador tendrá una
pendiente de 5%, que empieza desde la transición.
El desarenador tendrá las siguientes dimensiones, como se muestra en el siguiente
esquema:
FIGURA N°3.5 DIMENSIONES DEL DESARENADOR
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
54
3.8.5 CÁLCULO DEL VERTEDERO
El proyecto contiene un vertedero hidrodinámico tipo Creager que tiene las siguientes
características en modelo y prototipo:
DATOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL VERTEDERO :
Qc= Caudal de crecida 0.1488 m3/s
L= Ancho del vertedero 0.75 m
Qd= Caudal de diseño 0.0469 m3/s
P= Paramento A.A 0.375 m
g= Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2
Qcrecida= Caudal de crecida 0.0469 m3/s
C= Coeficiente 2
FIGURA N°3.6 ESQUEMA DE UN VERTEDERO CREAGER
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
55
3.8.5.1 CÁLCULO DE LA CARGA DE AGUA (Hd)
Q = C * L * 𝑯𝒅𝟑
𝟐⁄ Ecuación 3.8
Donde:
Q= Caudal de diseño
C = Coeficiente de descarga o de caudal
L= Ancho del desarenador
Hd = Carga de agua sobre el vertedero para el Q diseño
Hd = (𝑸
𝑪∗𝑳)
𝟐
𝟑
Hd = (0.046875
2∗0.75)
2
3
Hd = 0.099 m
Con la ayuda de Excel, calcularemos los radios para dar la forma de la cresta del vertedero,
como se indica a continuación:
DISTANCIAS L1 Y L2:
0.282*Hd
0.028 m 2.798 cm
0.175*Hd
0.017 m 1.736 cm
RADIOS DE CURVATURA R1 Y R2:
R1=0,5*Hd
R1= 0.050 m 4.96 cm
R2=0,2*Hd
R2= 0.020 m 1.984 cm
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
Sobre la base de los datos del U.S. Bureau of Reclamation, el U.S. Army Corps of
Engineers ha desarrollado varias formas standard en su Waterways Experimental Station.
56
Tales formas, diseñadas como la WES formas Standard de vertederos, se pueden
representar por la siguiente ecuación: (CHOW, 1983)
𝑿𝒏 = K * 𝑯𝒅𝒏−𝟏 * Y Ecuación 3.9
Donde:
X, Y = Coordenadas del perfil de la cresta
Hd = Altura de diseño, excluyendo la altura de velocidad del flujo
k, n = Parámetros dependiendo de la pendiente del paramento de la cara aguas arriba del
vertedero.
Para paramento vertical:
k = 2.000 (CHOW, 1983)
n= 1.850 (CHOW, 1983)
Conocidos los valores de H, k y n, con la ayuda de Excel damos valores a Y para encontrar
los valores de X, y así poder encontrar el perfil del vertedero, como se muestra a
continuación:
57
FIGURA N°3.7 PERFIL DEL VERTEDERO HIDRODINÁMICO CREAGER
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
y = -4,17x2 - 0,0798xR² = 0,9999
-0,2
-0,18
-0,16
-0,14
-0,12
-0,1
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 0,2500
PERFIL DEL AZUD
58
CAPÍTULO 4
4. PROCESO CONSTRUCTIVO DEL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA
TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE
HIDRÁULICA DE LA FICFM DE LA UCE
4.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO CONSTRUCTIVO
El modelo hidráulico ocupará un área de 12.35 m2
La mampostería que se utilizó para la construcción del modelo es bloque alivianado de
dimensiones 10*20*40 cm.
Se empezó a construir el modelo el 19 de septiembre de 2016 y se concluyó el 25 de
noviembre de 2016.
El modelo está conformado por las siguientes estructuras: dos tramos del río; uno natural y
otro como plataforma de ingreso a la rejilla para uniformizar el flujo, rejilla de fondo,
galería, canal de conducción, transición, desarenador, vertedero y dos compuertas. Además
salidas o descargas de los caudales desde el desarenador y desde el vertedero hacia el canal
de recirculación propio del Laboratorio hacia el sistema de bombeo.
Como parte del modelo se cuenta con el sistema de bombeo, conducción, tanque de
ingreso, tuberías de descarga y canal de recirculación al tanque cisterna.
59
FIGURA N°4.1 ESQUEMA GENERAL DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN IMPLEMENTADA EN EL LABORATORIO DE INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS
60
4.2 REGISTRO DE LA CONSTRUCCIÓN
REPLANTEO
Una vez que se concluyó con el trabajo de gabinete para establecer escalas, ubicación del
modelo, elaboración de planos, cronograma de actividades, etc; se procedió a realizar el
replanteo para la construcción del modelo; antes de esto se desmontó algunas estructuras
que estaban ubicadas en este lugar.
FOTOGRAFÍA N° 4.1 FOTOGRAFÍA N° 4.2
UBICACIÓN DE LA PLATAFORMA
DEL CAUCE DEL RÍO
UBICACIÓN DEL DESARENADOR
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
PLATAFORMA PARA CONFORMAR EL RÍO
En el Laboratorio de Hidráulica se dispone de un sistema de bombeo y otras estructuras
hidráulicas aprovechadas para adaptarlas al modelo, así se optimiza los recursos materiales
y económicos.
Se construyó una plataforma con una altura de1.20 m, un ancho de 1.0 m y un largo de 3.40
m. Para conformar el cauce del río se realizó un relleno hasta conseguir una pendiente de
9%, que es la pendiente que tiene el río en prototipo y por ende en el modelo.
Plataforma
del río
Rejilla de Fondo Canal de
Conducción
Desarenador
Vertedero Creager
61
FOTOGRAFÍA N° 4.3 FOTOGRAFÍA N° 4.4
CAUCE DEL RÍO Y REJILLA
Constan: Maestro albañil, tutor y tesista
CONFORMACIÓN NATURAL DEL
RÍO A ESCALA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CONSTRUCCIÓN DE LA REJILLA DE FONDO Y GALERÍA
Finalizada la conformación del cauce del río, se prosiguió con la construcción de la rejilla
de fondo que atraviesa todo el ancho del río, tiene un ancho de 0.25 metros y una longitud
de 1 m, una inclinación de 9%, es decir tiene la misma pendiente del río; los barrotes están
dispuestos en forma paralela al cauce del río, sus dimensiones son 1/8 plg de espesor * ½
plg de altura. Antes de la rejilla se construyó una plataforma para encausar el agua, esta
tiene un ancho de 1 m y 60 cm de largo; bajo esta estructura se encuentra ubicada la galería
la cual tiene las mismas dimensiones de la rejilla, el fondo tiene una pendiente longitudinal
de 21%.
Tanque de reserva
62
FOTOGRAFÍA N° 4.5 FOTOGRAFÍA N° 4.6
INSTALACIÓN DE LA REJILLA CONFORMACIÓN DE LA GALERÍA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
COMPUERTA
En determinadas ocasiones se deberá dar mantenimiento al desarenador y obras anexas,
para esto se debe suspender el paso de agua al proyecto, por esto se colocó una compuerta a
continuación de la rejilla; con dimensiones de 0.25 metros de ancho y 0.60 metros de altura.
El material de la compuerta es acrílico y metal estructural.
Rejilla
de fondo
Galería
63
FOTOGRAFÍA N° 4.7 FOTOGRAFÍA N° 4.8
DETALLES COMPUERTA COMPUERTA A CONTINUACIÓN DE
LA REJILLA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CANAL DE CONDUCCIÓN
Aguas abajo de la galería se dispone de un canal que facilitará el paso del agua hacía el
desarenador.
El canal tiene una forma rectangular, recta y luego una curva; su pendiente es alta para
evitar que las partículas no se sedimenten. La velocidad del agua en el canal de conducción
debe ser alta, por esto la pendiente longitudinal es de 6%.
Rejilla de
fondo
Guías
Compuerta
Compuerta
Canal de
conducción
64
FOTOGRAFÍA N° 4.9 FOTOGRAFÍA N° 4.10
CONSTRUCCIÓN DEL CANAL DE
CONDUCCIÓN CANAL DE CONDUCCIÓN
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN Y DESARENADOR
Se construyó una transición de 12.5 ° su longitud es de 1.25 metros, con pendiente
longitudinal de 5 % para que conecte el canal de conducción con el desarenador.
El desarenador tiene una longitud de 3.48 metros, una pendiente longitudinal de 5%; en su
interior dispone de dos taludes dispuestos a cada lado a 45° y en el centro un canal de
sedimentación con un ancho de 0.25 metros.
Forma curva del
canal de conducción
Canal de
conducción
Rejilla de
fondo
Compuerta
65
FOTOGRAFÍA N° 4.11 FOTOGRAFÍA N° 4.12
CONFORMACIÓN DE LA TRANSICIÓN CONFORMACIÓN DEL
DESARENADOR
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CONSTRUCCIÓN DE TALUDES INCLINADOS
Al interior del desarenador se construyó dos taludes inclinados a lo largo de las paredes del
desarenador; cada uno con un ancho de 0.25 metros, estos contribuyen a una mejor
concentración de sedimentos en el desarenador.
En el centro de estos dos taludes está ubicado un canal de 0.25 m de ancho por donde se
descargará el material sedimentado en el momento de lavado del desarenador.
Transición
Desarenador
66
FOTOGRAFÍA N° 4.13 FOTOGRAFÍA N° 4.14
VERIFICACIÓN DE NIVELES Y
MEDIDAS; TRANSICIÓN Y
DESARENADOR
CONFORMACIÓN DE TALUDES DE
CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
COMPUERTA DE LAVADO DEL DESARENADOR
Para desalojar el material sedimentado que ha ingresado al desarenador se construyó una
compuerta de lavado; ésta deberá trabajar abierta completamente al momento de realizar el
lavado; este proceso se lo debe realizar en el menor tiempo posible.
El material de la compuerta es de acrílico y metal estructural, tiene un ancho de 0.24 metros
y una altura de 0.25 metros.
Taludes
Canal
67
FOTOGRAFÍA N° 4.15 FOTOGRAFÍA N° 4.16
DETALLES COMPUERTA DE LAVADO COMPUERTA AL FINAL DEL
DESARENADOR
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CANAL DE LAVADO DEL DESARENADOR
Una vez abierta la compuerta de lavado, todo el material sedimentado en el desarenador
será evacuado a través de este canal; pero como se debe evitar el paso de cualquier tipo de
material hacia el canal de recirculación del Laboratorio ya que de alguna manera pueden
dañar los equipos de bombeo, antes de este canal se construyó una cámara para retener los
sedimentos y a la vez cuantificarlos, colocando en éste mallas de diferentes tamaños, de
manera que obstruyan el paso de cualquier tipo de material hacia el canal.
Guías
Volante Compuerta de
lavado
Vertedero del
desarenador
68
FOTOGRAFÍA N° 4.17 FOTOGRAFÍA N° 4.18
CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN CANAL DE LAVADO
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
CONSTRUCCIÓN DEL VERTEDERO TIPO CREAGER A LA SALIDA
DEL DESARENADOR
A continuación del desarenador se dispondrá de un vertedero tipo Creager, para propiciar el
paso del agua al proyecto, libre de cualquier tipo de partículas.
Después del vertedero se construyó un tanque, el cual en el caso del proyecto real
(prototipo) sirve para facilitar el paso del agua hacia el colector; en el caso del modelo sirve
para facilitar el paso del agua hacia el canal de recirculación, a través de una tubería.
Para dar la forma de la cresta del vertedero se construyó un molde en madera a escala real
para facilitar su construcción.
Cámara de
sedimentación
Canal de lavado
69
FOTOGRAFÍA N° 4.19 FOTOGRAFÍA N° 4.20
PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DEL
VERTEDERO VERTEDERO HIDRODINÁMICO
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
MODELO HIDRÁULICO CONCLUIDO
Seguidos todos los pasos mencionados anteriormente y una vez construidas todas las
estructuras que conforman la captación del río Boquerón, el modelo queda a punto para
iniciar las corridas de prueba.
Pared del
vertedero
Tanque de aguas
limpias, y sólida al
proyecto
Vertedero de paso
Paso hacía el
proyecto
70
FOTOGRAFÍA N° 4.21
TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
4.3 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN
Bloques de dimensiones 10*20*40
Hormigón
Piedras Pintadas
Mallas para retener sedimentos
Tubos de ø 250 mm
Acrílico y metal estructural
Hierro
Pintura
Silicón
Cemento
Cauce del río
Boquerón
Rejilla de
fondo
Canal de
conducción Desarenador
Compuerta
Compuerta
de lavado
Transición
Vertedero de salida
del desarenador Plataforma
de ingreso Cauce del río
aguas abajo
71
4.4 CLASIFICACIÓN Y MODELACIÓN DE LOS SUELOS/SEDIMENTOS
PARA LOS ENSAYOS
4.4.1 GRANULOMETRÍA
Como la modelación hidráulica consiste en reproducir todos los fenómenos que ocurren en
la naturaleza de la manera más aproximada posible y, sabiendo que el río Boquerón
arrastrará cierta cantidad de material hacia la rejilla y galería y continuaran por las demás
estructuras hacia el proyecto; para poder reproducir este fenómeno en el modelo se debió
determinar la escala del material de fondo arrastrado por el río Boquerón y hacer un
tamizado obteniendo de esta manera seis diferentes tipos de diámetro, como se detallan a
continuación:
FOTOGRAFÍA N° 4.22
Proceso de tamizado del material de arrastre de fondo y determinación de 6 diámetros
representativos para realizar la modelación.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FINOS
𝟑
𝟖 plg
𝟑
𝟒 plg
1 plg
1 𝟏
𝟐 plg
72
4.4.2 DIFERENCIACIÓN DE DIÁMETROS
Para poder diferenciar los distintos diámetros obtenidos, que serán corridos en el modelo se
pintó cada uno de diferente color, de esta manera se distinguirá fácilmente al momento de
valorar su cantidad depositada en el desarenador, cauce del río o sobre la rejilla; como se
detalla en la fotografía N° 4.23:
FOTOGRAFÍA N° 4.23
Proceso de pintado de los sedimentos, de seis colores dispuestos para las corridas en el
modelo:
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
73
TABLA N° 1
A continuación se detallan los 6 diámetros con su respectivo color distintivo para realizar la
modelación.
COLOR DISTINTIVO
DIÁMETRO EN
MODELO
DIÁMETRO EN
PROTOTIPO
plg cm plg Cm
0.2 0.5 0.8 2
3
8 1
3
2 3.8
3
4 1.9 3 7.6
1 2.5 4 10.2
74
CONTINÚA TABLA 4,1
1 𝟏
𝟐 3.8 6 15.2
>2 >5.1 >8 >20.3
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
4.5 SISTEMAS DE BOMBEO Y DE RECIRCULACIÓN DE LOS CAUDALES
IMPLEMENTADOS PARA ALIMENTAR AL MODELO
El Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas cuenta con una cisterna de capacidad (8.7 *
9.7 * 2.2) metros en donde se encuentra almacenada el agua, la cual se impulsa mediante
una bomba de 25 HP hacia el tanque elevado y de ahí se distribuye los caudales a los
distintos equipos y modelos con los que cuenta el laboratorio.
Una vez que el agua ha pasado por los modelos, esta pasa al canal de recirculación a través
del cual por gravedad regresa a la cisterna.
4.6 VERTEDERO TRIANGULAR Y SU CURVA DE CALIBRACIÓN PARA
MEDIR LOS CAUDALES UTILIZADOS EN LAS DIVERSAS CORRIDAS
HIDRÁULICAS DEL MODELO
Para medir el caudal que pasa por el modelo hidráulico físico se construyó e instaló en el
canal de recirculación del Laboratorio un vertedero triangular con un ángulo de Ɵ=60°, el
cual se calibró como se detalla en la figura 4.1:
75
FIGURA 4.2: CURVA DE CALIBRACIÓN DEL VERTEDERO TRIANGULAR Ɵ=60°
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
y = 6,4904x0,4154
R² = 0,9999
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 50
ALTURA (cm)
CAUDAL (l/s)
Series1
Potencial (Series1)
76
CAPÍTULO 5
5. CORRIDAS (PRUEBAS) REALIZADAS EN EL MODELO HIDRÁULICO
FÍSICO DE LA TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN, PARA
DISTINTOS CAUDALES DE ANÁLISIS
5.1 INTRODUCCIÓN
Antes de realizar las distintas corridas se calibró el modelo y todos los equipos a utilizar; se
realizó varias corridas de prueba hasta poner el equipo a punto para poder continuar con las
corridas de análisis.
5.2 OBTENCIÓN DE CAUDALES DE ANÁLISIS
Para obtener la curva de duración del río Boquerón el Ing. Cristian Coello Granda hizo una
recopilación de estudios ya realizados para este proyecto por diferentes instituciones como
son:
INERHI, 1979, Tomo IV del Estudio de Factibilidad del Proyecto Tabacundo:
Estudios Hidrológicos de Derechos de Usos de Agua.
Plan Maestro de Electrificación, INECEL, 1980.
Estudio Hidrológico del INERHI.
Estudio Hidrológico PYPSA – UNICONSULT, 1983.
Información hidrológica del CNRH, 2002.
Informes y Oficios Asociados con las concesiones realiadas por la Agencia de
Aguas de Quito sobre los caudales del río La Chimba.
Proyecto Tabacundo. Tercera Misión Técnica de Asesoramiento. HCPP.
Estudio de Evaluación del Proyecto de Riego y Agua Potable “TABACUNDO –
PESILLO IMBABURA”.- Ing. Manuel Moreno.
ASTEC.-
Denominando a este estudio como “Estudios Hidrológicos Complementarios de las
Cuencas de los ríos que Aportan Para el Proyecto de Riego Cayambe – Tabacundo”.
77
FIGURA 5.1: CURVA DE DURACIÓN GENERAL DEL RÍO BOQUERÓN
Se hizo un análisis para establecer los caudales más representativos que serían analizados,
como se muestran en la tabla 5.1:
TABLA 5.1: CAUDALES ESTABLECIDOS PARA SU RESPECTIVO ANÁLISIS
Q % Q (l/s)
Q80 5.6
Q10 14.1
Qd 46.9
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
Se analizará Q 80 debido a que este caudal se utiliza para garantías normales que se
da para proyectos de riego.
Se analizará Q 10 debido a que el proyecto trata de captar la mayor cantidad de agua
posible.
Se analizará Q diseño debido a que la captación está diseñada para este caudal.
78
5.3 RESULTADOS DE LAS DISTINTAS CORRIDAS
5.3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q80
El caudal de análisis es Q80 = 5.6 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero
triangular de Ɵ=60°, ubicado en el canal de recirculación y calibrado como consta en el
Capítulo 4; todo este caudal es captado por la rejilla. Los diámetros de las partículas de
análisis se encuentran detallados en la tabla 5.2.
TABLA 5.2: DIÁMETROS DE LAS PARTÍCULAS EN ANÁLISIS
N° DIÁMETRO (mm) COLOR DE LAS
PARTÍCULAS
1 >2 plg Celeste
2 0.2 plg Anaranjado
3 3
8 plg Rojo
4 1 1
2 plg Amarillo
5 1 plg Verde
6 3
4 plg Azul
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.1.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE
Con el Q 80 además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información
tomada en la plataforma aguas arriba de la rejilla:
Medición de la velocidad con el tubo Pitot:
𝑽𝟐
𝟐𝒈 = 0.058 m
Donde:
V = Velocidad
g = Aceleración de la gravedad
79
𝑉2 = 1.14
V = 1.07 m/s
Medición del calado con el linnímetro:
y = 8 mm
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE:
Fr = 𝑽
√𝒈∗𝒚
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
g = Aceleración de la gravedad
V = Velocidad
Fr = 1.07
√9.81∗0.008
Fr = 3. 82 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO
5.3.1.2 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= >2 plg
TABLA 5.3: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø>2 plg
PARTÍCULAS DE ø > 2 plg
Q TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD TOTAL DE
MATERIAL DE
ANÁLISIS
LUGAR DE ANÁLISIS
Retenido en el cauce
Q % l/s SI NO kg % kg %
Q 80 5.625 X 2.886 100 1.621 100
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
80
FOTOGRAFÍA 5.1
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA Q 80
Y ø=2 plg
Considerando que en el prototipo cuando se
tenga caudal de crecida este arrastrará
piedras completamente grandes, las cuales
se irán quedando a lo largo del cauce del río
a medida que el caudal disminuya; para el
caudal en análisis en el modelo, se puede
observar en la fotografía 5.1 este tipo de
material no se mueve, y además, todo el
caudal está siendo captado por la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.1.3 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 0.2 plg
Para este análisis se dejó el material de diámetro >2 plg, añadiendo 2.886 kg de material de
0.2 plg para observar así el comportamiento que tendrán estas partículas, obteniendo los
siguientes resultados:
Al pasar 10 segundos la primera partícula llega al inicio de la transición.
Al pasar 1 minuto 40 segundos la primera piedra de forma circular llega al final de
la transición.
TABLA 5.4: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2 plg
PARTÍCULAS DE ø=0.2 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL
CANTIDAD
Retenido en el cauce Pasa por la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg %
Q 80 5.625 X 2.886 100 1.621 56.168 1.265 43.832
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
81
FOTOGRAFÍA 5.2
MATERIAL RETENIDO EN EL
CAUCE, AGUAS ARRIBA DE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=0.2 plg
Un 56.2% del material analizado se
queda retenido en el cauce del río
aguas arriba de la rejilla, detrás de la
reja y el 43.8% que logró pasar por la
reja se quedan estancadas en la zona
de transición.
ELABORADO POR: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.3 MATERIAL QUE PASA POR LA REJILLA
PARA Q 80 Y ø=0.2 plg
A los 3 minutos de haber puesto las
partículas en el cauce del río, cierta
cantidad de estas se mantienen en la
zona de transición, que aparenta ser una
zona de estancamiento para las
partículas de este diámetro.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
82
5.3.1.4 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 3/8 plg
TABLA 5.5: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/8 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Pasa por la
rejilla Queda sobre la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q 80 5.625 X 4.891 100 3.005 61.439 1.657 33.879 0.229 4.682
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.4
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA
Q 80 Y ø=3/8 plg
El caudal líquido de (5.6 l/s)
pasa todo por la rejilla.
De los 4.891 kg que se analizó,
un 3.005 kg se queda retenido
en el cauce del río debido a su
configuración.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
83
FOTOGRAFÍA 5.5 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/8 plg
De los 4.891 kg que se analizó, un
1.657 kg logra pasar por la rejilla, gran
parte de este material se queda en la
curva del canal de conducción, el resto
de las partículas se queda por la mitad
de la transición, ninguna partícula
llega al desarenador.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.6 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/8 plg
De los 4.891 kg que se analizó, un
0.229 kg se queda sobre la rejilla, esto
se debe a la forma que tiene cada
partícula; ya sea redonda o en plancha.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
84
5.3.1.5 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 3/4 plg
TABLA 5.6: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/4 plg
Q
TRANSPORT
E DE
SEDIMENTO
S
CANTIDA
D TOTAL
DE
MATERIA
L DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Pasa por la
rejilla
Queda sobre
la rejilla
Pasa aguas
abajo de la
rejilla
Q
% l/s SI NO kg % kg % kg % kg % kg %
Q
80
5.62
5 X
2.22
9
10
0
1.62
8
73.03
7
0.03
4
1.52
5
0.53
8
24.13
6
0.02
9
1.30
1
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.7
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA
Q 80 Y ø=3/4 plg
De los 2.229 kg que se analizó, un
1.628 kg que equivale a 73.04 % del
total se queda retenido en el cauce del
río debido a su configuración, como se
puede observar en la fotografía 5.8
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
85
FOTOGRAFÍA 5.8 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg
De los 2.229 kg que se analizó, un
0.034 kg logra pasar por la rejilla, gran
parte de este material se queda antes
de la curva del canal de conducción,
ninguna partícula llega al desarenador.
Las partículas que lograron pasar
tienen forma de plancha, lo que facilita
su paso por la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.9 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg
De los 2.229 kg que se analizó, un
0.538 kg se queda sobre la rejilla,
debido a que el espaciamiento de la
rejilla es menor que el diámetro de las
partículas en análisis.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
86
FOTOGRAFÍA 5.10 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=3/4 plg
De los 2.229 kg que se analizó, un
0.229 kg logra pasar aguas abajo de la
rejilla, esto debido a que son partículas
que tienen forma redonda y son
arrastradas con mayor facilidad.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.1.6 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 1 plg
TABLA 5.7: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 plg
PARTÍCULAS DE ø=1 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo
de la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q 80 5.625 X 2.871 100 2.665 92.825 0.159 5.538 0.047 1.637
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
87
FOTOGRAFÍA 5.11
MATERIAL RETENIDO EN EL
CAUCE, AGUAS ARRIBA DE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg
De los 2.871 kg que se analizó,
2.665 kg que equivale al 92.83 %
del total se queda retenido en el
cauce del río debido a su
configuración, como se puede
observar en la fotografía 5.12
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.12 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg
De los 2.871 kg que se analizó, 0.159
kg se queda sobre la rejilla, debido a
que el espaciamiento de la rejilla es
menor que el diámetro de las
partículas en análisis.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
88
FOTOGRAFÍA 5.13 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1plg
De los 2.871 kg que se analizó,
0.047 kg logra pasar aguas abajo de
la rejilla, esto debido a que son
partículas que tienen forma redonda
y son arrastradas con mayor
facilidad.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.1.7 ANÁLISIS DEL Q80 PARA MATERIAL ø= 1 ½ plg
TABLA 5.8: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 ½ plg
PARTÍCULAS DE ø=1 𝟏
𝟐plg
Q TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD TOTAL DE
MATERIAL DE
ANÁLISIS
LUGAR DE ANÁLISIS
Retenido en el cauce
Q % l/s SI NO kg % kg %
Q 80 5.625 X 2.159 100 2.159 100
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
89
FOTOGRAFÍA 5.14
MATERIAL RETENIDO EN EL
CAUCE, AGUAS ARRIBA DE LA
REJILLA, PARA Q 80 Y ø=1 𝟏
𝟐plg
De los 2.159 kg que se analizó,
todo el material se queda retenido
en el cauce del río, debido a que la
energía del agua es mínima.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.1.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q 80 (5.6 l/s)
TABLA 5.9: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 80 (5.6 l/s)
Retenido en el cauce 12.699 kg 76.24 %
Pasa por la rejilla 2.956 kg 17.75 %
Queda sobre la rejilla 0.926 kg 5.56 %
Pasa aguas abajo de la rejilla 0.076 kg 0.46 %
Total Analizado Q 80 16.657 kg 100 %
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q10
El caudal de análisis es Q10 = 14.1 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero
triangular de Ɵ=60°, ubicado en el canal de recirculación y calibrado como consta en el
Capítulo 4, todo este caudal es captado por la rejilla. Los diámetros de las partículas de
análisis se encuentran detallados en este capítulo en la tabla 5.2.
5.3.2.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE
Con el Q 80 además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información
tomada en la plataforma aguas arriba de la rejilla:
90
Medición de la velocidad con el tubo Pitot:
𝑽𝟐
𝟐𝒈 = 0.073 m
Donde:
V = Velocidad
g = Aceleración de la gravedad
𝑉2 = 1.43
V = 1.20 m/s
Medición del calado con el linnímetro:
y = 18 mm
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE:
Fr = 𝑽
√𝒈∗𝒚
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
g = Aceleración de la gravedad
V = Velocidad
Fr = 1.20
√9.81∗0.018
Fr = 2.86 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO
91
5.3.2.2 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= >2 plg
Se analizaron partículas de diámetros entre 2 y 5 plg.
FOTOGRAFÍA 5.15 DESCRIPCIÓN GENERAL >2
plg
Para este caudal las partículas
que tienen forma redonda y la
velocidad que tiene el agua
las puede arrastrar
fácilmente, algunas pasarán
aguas debajo de la rejilla y
otras se quedarán sobre ésta.
Por otro lado las partículas
que tienen forma de plancha
no se mueven con facilidad,
la mayor parte de éstas se
queda en el cauce del río.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.3 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 1 ½ plg
TABLA 5.10: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=1 ½ plg
PARTÍCULAS DE ø=1 𝟏
𝟐plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo de
la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q 10 14.01 X 2.159 100 1.565 72.49 0.348 16.12 0.246 11.394
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
92
FOTOGRAFÍA 5.16
MATERIAL RETENIDO EN EL
CAUCE, AGUAS ARRIBA DE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 𝟏
𝟐plg
Un 72.5% del material analizado se
queda retenido en el cauce del río
aguas arriba de la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.17
MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 𝟏
𝟐plg
Como se puede observar las partículas
arrastradas por este caudal es mínima y
como podemos observar en la
fotografía 5.17 las partículas que se
quedaron sobre la rejilla ya no
pudieron avanzar hacia aguas abajo
debido a su forma.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
93
FOTOGRAFÍA 5.18 MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 𝟏
𝟐plg
Las partículas que lograron avanzar
aguas abajo de la rejilla, son partículas
que tienen especialmente forma
redonda y son fáciles de mover. De
2.159 kg analizados 0.246 kg logró
pasar.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.4 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 1 plg
TABLA 5.11: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø = 1 plg
PARTÍCULAS DE ø=1 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo
de la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q 10 14.01 X 2.842 100 0.892 31.386 1.838 64.673 0.112 3.941
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
94
FOTOGRAFÍA 5.19
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=1 plg
El material analizado casi en su
totalidad es movido, y las pocas
partículas que se quedaron en el cauce
del río es debido a su configuración y
forma de partículas.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.20 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1 plg
La mayor parte de partículas
analizadas se queda sobre la rejilla,
debido a que el espaciamiento entre
barrotes es menor que el diámetro
de las partículas y por la pendiente
que tiene la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
95
FOTOGRAFÍA 5.21
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO
DE LA REJILLA, PARA Q 10 Y ø=1
plg
Como se puede observar en la
fotografía 5.14 muy pocas
partículas han logrado pasar aguas
debajo de la rejilla, esto representa
un 3.9 % del total analizado.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.5 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 3/4 plg
TABLA 5.12: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/4 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Retenido en el
cauce
Pasa por la
rejilla Queda sobre la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q 10 14.01 X 2.346 100 0.667 28.431 0.47 20.034 1.209 51.535
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
96
FOTOGRAFÍA 5.22
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=3/4 plg
Pocas partículas se han quedado en el
cauce del río, la velocidad que se tiene
para el caudal de análisis es suficiente
para arrastrar a estas partículas y las
pocas que se han quedado retenidas se
debe a la configuración del río.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.23 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/4 plg
Un 20 % del total de partículas
analizadas lograron pasar por la rejilla
debido a su forma, pero no lograron
llegar al desarenador se quedaron en el
canal de conducción.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
97
FOTOGRAFÍA 5.24 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/4 plg
De los 2.346 kg que se analizó, 1.209
kg se queda sobre la rejilla, debido a
que el espaciamiento de la rejilla es
menor que el diámetro de las
partículas en análisis.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.6 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 3/8 plg
TABLA 5.13: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/8 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la rejilla Queda sobre la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg %
Q 10 14.01 X 4.277 100 4.019 93.968 0.258 6.032
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
98
FOTOGRAFÍA 5.25
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA, PARA
Q 10 Y ø=3/8 plg
Por la configuración del cauce del río
un 13.9 % de las partículas analizadas
se quedaron retenidas o atrapadas por
piedras que forman parte del cauce.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.26 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/8 plg
Todo el material que logró pasar por
la rejilla se queda en el canal de
ingreso a la transición, pocas son las
partículas que llegan al final de la
transición. Ninguna partícula logró
llegar al desarenador.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
99
FOTOGRAFÍA 5.27 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=3/8 plg
Las partículas que se quedaron sobre
la rejilla se deben en primer lugar a
su forma plana y otras porque se
fueron quedando una sobre otra.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.7 ANÁLISIS DEL Q10 PARA MATERIAL ø= 0.2 plg
TABLA 5.14: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2 plg
PARTÍCULAS DE ø=0.2 plg
Q TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD TOTAL DE
MATERIAL DE
ANÁLISIS
LUGAR DE ANÁLISIS
Pasa por la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg %
Q 10 14.01 X 3.104 100 3.104 100
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
100
FOTOGRAFÍA 5.28 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q 10 Y ø=0.2 plg
Por la gran velocidad que se tiene las
partículas son arrastradas con facilidad y
pasan por la rejilla, el poco material que
se queda es por las características
propias del cauce que obligan al
material a quedarse, las partículas que
lograron pasar por la rejilla se
acumularon a lo largo de la parte
convexa del canal, algunas quedadas en
la transición y muy pocas llegaron al
desarenador.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.2.8 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q 10 (14.1 l/s)
TABLA 5.15: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q 10 (14.1 l/s)
Retenido en el cauce 7.814 kg 39.33 %
Pasa por la rejilla 8.044 kg 40.49 %
Queda sobre la rejilla 3.653 kg 18.39 %
Pasa aguas abajo de la rejilla 0.358 kg 1.80 %
Total Analizado Q 80 19.869 kg 100 %
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
5.3.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA Q diseño
El caudal de análisis es Q d = 46.875 l/s en modelo, valor que será medido en el vertedero
triangular de Ɵ=60°, ubicado en el canal de recirculación y calibrado como consta en el
Capítulo 4. Los diámetros de las partículas de análisis se encuentran detallados en este
capítulo en la tabla 5.2.
101
5.3.3.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE
Con el Q diseño además se obtienen los siguientes resultados de acuerdo a la información
tomada en la plataforma aguas arriba de la rejilla:
Medición de la velocidad con el tubo Pitot:
𝑽𝟐
𝟐𝒈 = 0.114 m
Donde:
V = Velocidad
g = Aceleración de la gravedad
𝑉2 = 2.24
V = 1.50 m/s
Medición del calado con el linnímetro:
y = 42 mm
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
CÁLCULO DEL NÚMERO DE FROUDE:
Fr = 𝑽
√𝒈∗𝒚
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
g = Aceleración de la gravedad
V = Velocidad
Fr = 1.50
√9.81∗0.042
Fr = 2.33 > 1 FLUJO SUPERCRÍTICO
102
5.3.3.2 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 3/4 plg
TABLA 5.16: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/4 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/4 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la
rejilla
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas
abajo de la
rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q diseño 46.875 X 2.309 100 0.645 27.934 0.698 30.230 0.966 41.836
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.29 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4 plg
Un 27.9 % de partículas logró pasar
por la rejilla hasta llegar a la
transición y poco a poco avanzaron
hacia el desarenador.
ELABORADO POR: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
103
FOTOGRAFÍA 5.30 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4 plg
Todas las partículas avanzaron del
cauce del río, un 30 % se queda sobre
la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.31
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/4
plg
Debido a la fuerte velocidad que se
tiene algunas partículas sobrepasaron
la rejilla hacia aguas abajo.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
104
5.3.3.3 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 3/8 plg
TABLA 5.17: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=3/8 plg
PARTÍCULAS DE ø=3/8 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la
rejilla
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas
abajo de la
rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q diseño 46.875 X 4.872 100 4.47 91.749 0.161 3.305 0.241 4.947
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.32 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8 plg
La fuerte velocidad hizo que ninguna
partícula que pasó por la rejilla se
quede en la curvatura del canal de
ingreso a la transición, todas las
partículas pasaron la transición,
quedándose en el desarenador y
algunas llegaron cerca de la
compuerta de lavado.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
105
FOTOGRAFÍA 5.33 MATERIAL SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8 plg
Ninguna partícula se quedó en el cauce
del río, un 3.3 % se quedó sobre la
rejilla, debido a su forma.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.34
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q diseño Y ø=3/8
plg
Por la velocidad del agua algunas
partículas que se quedaron sobre la
rejilla fueron empujadas aguas debajo
de la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
106
5.3.3.4 ANÁLISIS DEL Q diseño PARA MATERIAL ø= 0.2 plg
TABLA 5.18: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø=0.2 plg
PARTÍCULAS DE ø=0.2 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la
rejilla
Pasa aguas abajo de la
rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg %
Q diseño 46.875 X 3.039 100 3.02 99.37 0.019 0.625
ELABORADO POR: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.35 MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q diseño Y ø=0.2
plg
La alta velocidad y su pequeño
diámetro hace que las partículas
sean arrastradas con facilidad y
pasen por la rejilla, además esta
velocidad hizo que un 0.6 % de
material pase aguas debajo de la
rejilla, las partículas que lograron
pasar por la rejilla, en su totalidad
llegaron al desarenador y una
cantidad considerable llegó a la
compuerta de lavado.
ELABORADO POR: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
107
5.3.3.5 RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA Q diseño (46.9l/s)
TABLA 5.19: TOTAL DE MATERIAL ANALIZADO PARA Q diseño (46.9 l/s)
Retenido en el cauce 0 kg 0 %
Pasa por la rejilla 8.135 kg 79.60 %
Queda sobre la rejilla 0.859 kg 8.41 %
Pasa aguas abajo de la rejilla 1.226 kg 12.00 %
Total Analizado Q 80 10.22 kg 100 %
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
108
5.3.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS PARA LAS PARTÍCULAS DE ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2
plg PARA Q diseño.
Para esta corrida se analizó conjuntamente los 6 diámetros disponibles, para así poder observar y analizar el comportamiento de las
diferentes estructuras que forman la captación del río Boquerón.
TABLA 5.20: RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS PARA ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg,
ø=0.2 plg
PARTÍCULAS DE ø > 2 plg, ø=1 1/2plg, ø=1 plg, ø=3/4 plg, ø=3/8 plg, ø=0.2 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la
rejilla
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo de la
rejilla Retenido en el cauce del río
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg % Kg %
Q diseño 46.875 X 22.641 100 6.667 29.447 8.111 35.824 4.72 20.847 3.143 13.882
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
109
FOTOGRAFÍA 5.36
MATERIAL QUE PASA POR LA
REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS
DIÁMETROS
Se analizó conjuntamente los 6
diámetros obtenidos de la
granulometría antes mencionada y se
pudo observar que al desarenador
ingresan con mayor facilidad las
partículas ø=3/4 plg, ø=3/8 plg,
especialmente las de ø=0.2 plg
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.37
MATERIAL QUE SE QUEDÓ SOBRE LA
REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS LOS
DIÁMETROS
Como se puede observar en la
fotografía 5.31, a pesar de la alta
velocidad las partículas de diámetro
superior se van quedando algunas
sobre la rejilla e impiden el paso de las
partículas de menor diámetro que
podrían avanzar aguas debajo de la
rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
110
FOTOGRAFÍA 5.38
MATERIAL PASÓ AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA, PARA Q diseño Y TODOS
LOS DIÁMETROS
Por la alta velocidad las partículas de
ø=1 1/2plg, ø=1 plg; son arrastradas
con mayor facilidad hacia aguas abajo
de la rejilla.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
FOTOGRAFÍA 5.39
MATERIAL RETENIDO EN EL CAUCE,
AGUAS ARRIBA DE LA REJILLA,
PARA Q diseño Y TODOS LOS
DIÁMETROS
Las partículas de ø > 2 plg, algunas de
ellas por su forma son las que se
quedan retenidas en el cauce natural
del río.
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
111
CAPÍTULO 6
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS
6.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q80
6.1.1 CANTIDAD DE MATERIAL RETENIDO (%) EN EL CAUCE DEL RÍO
PARA Q 80
GRÁFICO N° 6.1 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL CAUCE DEL
RÍO PARA Q 80 (5.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Pa
rtíc
ula
s re
ten
ida
s en
el
cau
ce (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
112
6.1.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q 80
GRÁFICO N° 6.2 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA REJILLA
PARA Q 80 (5.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2
Part
ícu
las
qu
e p
asa
n p
or
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø=0.2
113
6.1.3 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE QUEDA SOBRE LA REJILLA
PARA Q 80
GRÁFICO N° 6.3 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA SOBRE LA
REJILLA PARA Q 80 (5.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
5
10
15
20
25
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2
Part
ícu
las
dep
osi
tad
as
sob
re l
a r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø=0.2
114
6.1.4 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE PASA AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA PARA Q 80
GRÁFICO N° 6.4 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA PARA Q 80 (5.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø=0.2
Part
´ciu
las
qu
e p
asa
n a
gu
as
ab
ajo
de
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø=0.2
115
6.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q 10
6.2.1 CANTIDAD DE MATERIAL RETENIDO (%) EN EL CAUCE DEL RÍO
PARA Q 10
GRÁFICO N° 6.5 CANTIDAD DE PARTÍCULAS RETENIDAS EN EL CAUCE DEL
RÍO PARA Q 10 (14.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
10
20
30
40
50
60
70
80
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
ícu
las
rete
nid
as
en e
l ca
uce
del
río
(%
)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
116
6.2.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q 10
GRÁFICO N° 6.6 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA REJILLA
PARA Q 10 (14.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
´ciu
las
qu
e p
asa
n p
or
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
117
6.2.3 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE QUEDA SOBRE LA REJILLA
PARA Q 10
GRÁFICO N° 6.7 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE SE QUEDA SOBRE LA
REJILLA PARA Q 10 (14.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
10
20
30
40
50
60
70
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
ícu
las
dep
osi
tad
as
sob
re l
a r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
118
6.2.4 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE SE PASA AGUAS DEBAJO DE LA
REJILLA PARA Q 10
GRÁFICO N° 6.8 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA PARA Q 10 (14.6 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
2
4
6
8
10
12
ø= >2 ø= 1 ½ ø= 1 ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
´ciu
las
qu
e p
asa
n a
gu
as
ab
ajo
de
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= >2
ø= 1 ½
ø= 1
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
119
6.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño
6.3.1 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA POR LA REJILLA PARA Q
diseño
GRÁFICO N° 6.9 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA REJILLA
PARA Q diseño (46.9 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
ícu
las
qu
e p
asa
n p
or
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA
REJILLA PARA Q diseño
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
120
6.3.2 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA AGUAS ABAJO DE LA
REJILLA PARA Q diseño
GRÁFICO N° 6.10 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASA AGUAS ABAJO DE
LA REJILLA PARA Q diseño (46.9 l/s)
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
ø= 3/4 ø= 3/8 ø= 0.2
Part
ícu
las
qu
e p
asa
n a
gu
as
ab
ajo
de
la r
ejil
la (
%)
Diámetros Analizados (plg)
ø= 3/4
ø= 3/8
ø= 0.2
121
6.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS A
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS DEL MODELO PARA Q diseño Y LOS 6
DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA GRANULOMETRÍA
6.4.1 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE LA TOMA CAUCASIANA
PARA Q diseño Y LOS 6 DIÁMETROS OBTENIDOS DE LA
GRANULOMETRÍA
GRÁFICO N° 6.11 CANTIDAD DE MATERIAL (%) QUE PASA A LAS DIFERENTES
ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE LA TOMA CAUCASIANA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Pasa por larejilla
Queda sobrela rejilla
Aguas abajode la rejilla
Retenido enel cauce
Par
t´ci
ula
s q
ue
pas
an a
las
dif
ere
nte
s e
stru
ctu
ras
(%)
Pasa por la rejilla
Queda sobre la rejilla
Aguas abajo de la rejilla
Retenido en el cauce
122
6.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS OBTENIDOS DEL PASO DE SEDIMENTOS
HACIA LA REJILLA PARA: Q 80, Q 10 Y Q diseño
GRÁFICO N° 6.12 CANTIDAD DE PARTÍCULAS QUE PASAN POR LA REJILLA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
Del gráfico podemos comentar que cuando más caudal sea captado para el proyecto, más
son las partículas que ingresan por la rejilla, pero claro dependiendo del diámetro de la
partícula y del espaciamiento de la rejilla; algunas se depositan en el canal de conducción,
otras en la transición y otras en el desarenador.
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Part
ícu
las
qu
e p
asa
n p
or
la r
ejil
la (
%)
Caudal (l/s)
123
6.6 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE
6.6.1 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD
GRÁFICO N° 6.13 FROUDE VS CAUDAL Y VELOCIDAD
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 10 20 30 40 50
Velocidad (m/s)
Fro
ud
e
Caudal (l/s)
Caudal
Velocidad
124
6.6.2 FROUDE VS CALADO
GRÁFICO N° 6.14 FROUDE VS CALADO MEDIDOS AGUAS ARRIBA DE LA
REJILLA
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Fro
ud
e
Calado (mm)
125
6.6.3 ANÁLISIS DEL NÚMERO DE FROUDE EN FUNCIÓN DEL
COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (kg)
GRÁFICO N° 6.15 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS
(kg) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
3,93 3,08 2
12,669
7,814
0
2,956
8,044
8,135
0,926
3,653
0,859
0,076
0,358
1,226
An
áli
sis
de
pa
rtíc
ula
s (k
g)
N° FROUDE
Aguas abajo de la rejilla
Queda sobre la rejilla
Pasa por la rejilla
Retenido en el cauce
126
6.6.3.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con el Froude=3.93 se tiene una velocidad de 1.03 m/s y un caudal de 5.6 l/s (Q
80); se concluye que de un total de 16.657 kg de material analizado, 12.669 kg de
material es retenido en el cauce del río, 2.956 kg de material pasa por la rejilla,
0.926 kg de material se queda sobre la rejilla y 0.076 kg de material pasa aguas
debajo de la rejilla.
Con el Froude=3.08 se tiene una velocidad de 1.22 m/s y un caudal de 14.1 l/s (Q
10); se concluye que de un total de 19.869 kg de material analizado, 7.814 kg de
material es retenido en el cauce del río, 8.044 kg de material pasa por la rejilla,
3.653 kg de material se queda sobre la rejilla y 0.358 kg de material pasa aguas
abajo de la rejilla.
Con el Froude=2.00 se tiene una velocidad de 1.40 m/s y un caudal de 46.9 l/s (Q
diseño); se concluye que de un total de 10.22 kg de material analizado, no existe
material retenido en el cauce del río, 8.135 kg de material pasa por la rejilla, 0.859
kg de material se queda sobre la rejilla y 1.226 kg de material pasa aguas abajo de la
rejilla.
127
6.6.4 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (%) EN
FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE
GRÁFICO N° 6.16 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LAS PARTÍCULAS (%)
EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE FROUDE
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
0
20
40
60
80
100
120
3,93 3,08 2
76,24
39,328
0
17,75
40,485
79,599
5,56
18,385
8,405
0,46 1,802
11,996
An
áli
sis
de
pa
rtíc
ula
s (%
)
N° FROUDE
Aguas abajo de la rejilla
Queda sobre la rejilla
Pasa por la rejilla
Retenido en el cauce
128
6.6.4.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con el Froude=3.93 se tiene una velocidad de 1.03 m/s y un caudal de 5.6 l/s (Q
80); se observó que de un total de 16.657 kg que equivale al 100 % de material
analizado, 76.24 % de material es retenido en el cauce del río, 17.75 % de material
pasa por la rejilla, 5.56 % de material se queda sobre la rejilla y 0.46 % de material
pasa aguas abajo de la rejilla.
Con el Froude=3.08 se tiene una velocidad de 1.22 m/s y un caudal de 14.1 l/s (Q
10); se observó que de un total de 19.869 kg que equivale al 100 % de material
analizado, 39.33 % de material es retenido en el cauce del río, 40.49 % de material
pasa por la rejilla, 18.39 % de material se queda sobre la rejilla y 1.80 % de material
pasa aguas abajo de la rejilla.
Con el Froude=2.00 se tiene una velocidad de 1.40 m/s y un caudal de 46.9 l/s (Q
diseño); se observó que de un total de 10.22 kg que equivale al 100 % de material
analizado, no existe material retenido en el cauce del río, 79.60 % de material pasa
por la rejilla, 8.41 % de material se queda sobre la rejilla y 12 % de material pasa
aguas abajo de la rejilla.
129
CAPÍTULO 7
7. GUÍA METODOLÓGICA PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS
ESTUDIANTILES CON EL MODELO HIDRÁULICO FÍSICO DE LA
TOMA CAUCASIANA DEL RÍO BOQUERÓN EN EL LABORATORIO DE
INVESTIGACIONES HIDRÁULICAS
7.1 TEMA
ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS QUE FORMAN PARTE DE UNA TOMA
CAUCASIANA PARA Q diseño=46.9 lt/s
7.2 OBJETIVOS
7.2.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte del modelo respecto a
los sólidos del río en estudio, para Q diseño= 46.9 l/s
7.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar corridas hidráulicas para diferentes diámetros de partículas y caudales.
Cuantificar la eficiencia de cada una de las estructuras que forman parte del modelo
de la toma caucasiana del río Boquerón.
7.2 MARCO TEÓRICO
7.2.1 TOMA CAUCASIANA O DE FONDO
Este tipo de obra de captación se implementa en el cauce del río donde se instala una rejilla
de fondo, ubicada de manera que los sedimentos continúen hacia aguas abajo del cauce
natural del río.
Esta captación es recomendable implementarla en ríos de montaña, debido a que sus
pendientes son fuertes y el arrastre de sedimentos finos es mínimo. Si el arrastre de
sedimentos gruesos es abundante, estos provocarán una obstrucción rápida de la rejilla y la
obra quedará totalmente inutilizada.
130
7.2.2 REJILLA
La rejilla está ubicada en forma transversal al cauce del río y los barrotes paralelos al
flujo del río, a esta estructura se le podrá dar diferentes inclinaciones, esto dependerá de las
condiciones del río, de los caudales líquido o sólido y características del proyecto.
7.2.3 GALERÍA
El agua que se ha captado a través de la rejilla, desciende a un canal colector, denominado
galería que tiene como función receptar y transportar el agua y el material sólido que se ha
captado a través de la rejilla hacia el desarenador; este canal es dimensionado de tal manera
que transporte el caudal para el que fue diseñado.
7.2.4 TRANSICIÓN
Las transiciones se diseñan cuando exista cambio entre una sección y otra; y debe procurar:
Minimizar las pérdidas localizadas de energía
Evitar ondas, particularmente las cruzadas
Eliminar excesos de turbulencia.
7.2.5 DESARENADOR
Esta estructura es necesaria para captar los sedimentos que han pasado por la rejilla, para
eliminar este material se implementa una compuerta de lavado.
7.2.6 COMPUERTA DE LAVADO DEL DESARENADOR
Hay que considerar que en época de lluvias al sistema ingresarán mayor cantidad de
sedimentos arrastrados desde el río, por lo tanto es necesario la implementación de una
compuerta de lavado, su función es la de evacuar rápidamente todo el material que ha
ingresado por la rejilla al sistema.
131
7.3 EQUIPOS Y MATERIALES
7.3.1 EQUIPO:
Modelo Hidráulico Físico
Vertedero triangular con un ángulo en el vértice Ɵ=60°,
7.3.2 INSTRUMENTAL
Linnímetro (A=±0.1 mm)
Tubo Pitot
Regla (A=±0.1 mm)
Balanza (A=±1 gr)
Recipientes
Probeta (A=±0.1 ml)
Cronómetro
7.3.3 MATERIALES
Agua
Sedimentos (Partículas Pintadas)
7.4 METODOLOGÍA PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA
Arrancar el sistema de bombeo, abrir las válvulas de ingreso al modelo, esperar que
el tanque de ingreso se llene y el agua empiece a fluir al modelo.
Regular la válvula hasta conseguir el caudal requerido, para esto se tendrá que
revisar la altura que se tenga en el vertedero triangular ubicado en el canal de
recirculación y finalmente buscar que caudal se tiene con esa altura en la curva de
calibración de este vertedero o mediante aforos volumétricos.
Una vez conseguido el caudal requerido se procede a tomar los datos de calado con
el linnímetro y la velocidad con la ayuda del tubo pitot.
Con estos datos se procede al cálculo del número de Froude, para determinar el tipo
de flujo.
Realizar corridas para distintos diámetros de partículas y para un determinado
caudal, que puede ser el caudal de diseño.
132
Se procede a recoger por separado las partículas que se han quedado en el cauce del
río, sobre la rejilla, que han pasado aguas abajo de la rejilla y finalmente las que han
pasado por la rejilla, para pesarlas.
Finalmente se debe tabular los resultados obtenidos para elaborar las gráficas de
análisis.
7.4.1 DATOS DE ENTRADA
Q diseño = Caudal de diseño (l/s)
b = Ancho de la rejilla (m)
L = Longitud de la rejilla (m)
S= Espaciamiento de la rejilla (cm)
t = Ancho de la pletina (cm)
e = Alto de la pletina (cm)
f = Coeficiente de obstrucción
7.4.2 ECUACIONES FUNDAMENTALES
Medición de la altura de velocidad con el tubo Pitot, aguas arriba de la
rejilla:
𝑽𝟐
𝟐𝒈 =
Donde:
V = Velocidad
g = Aceleración de la gravedad
𝑉2 =
V = m/s
Medición del calado con el linnímetro:
y = mm
133
Donde:
y = Calado en la plataforma de ingreso
Cálculo del Número de Froude
Fr = 𝑽
√𝒈∗𝒚
Fr = Tipo de flujo
Caudal
Q = 𝑽𝒐𝒍
𝒕
Donde:
Vol = Volumen
t = Tiempo
134
7.4.3 CUADRO DE DATOS
PARTÍCULAS DE ø=3/4 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por
la rejilla
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo
de la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q diseño
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
PARTÍCULAS DE ø=3/8 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL
DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por
la rejilla
Queda sobre la
rejilla
Pasa aguas abajo de
la rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg % kg %
Q diseño
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
PARTÍCULAS DE ø=0.2 plg
Q
TRANSPORTE
DE
SEDIMENTOS
CANTIDAD
TOTAL DE
MATERIAL DE
ANÁLISIS
LUGARES DE ANÁLISIS
Pasa por la
rejilla
Pasa aguas abajo de la
rejilla
Q % l/s SI NO kg % kg % kg %
Q diseño
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
135
7.4.4 VERIFICACIÓN DE LA CURVA DE DESCARGA DEL VERTEDERO
TRIANGULAR Ɵ=60°
N° Altura Volumen Tiempo Q parcial
Q
experimental
(cm) (l) (s) (l/s) (l/s)
1
2
3
4
Elaborado por: SÁNCHEZ Del Pozo Erika
136
7.5 GRÁFICOS
7.5.1 REALIZAR UN GRÁFICO ESTADÍSTICO CANTIDAD DE MATERIAL (%)
QUE PASA POR LA REJILLA Y AGUAS DEBAJO DE LA REJILLA PARA Q
diseño= 46.88 l/s
7.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS
7.7 CONCLUSIONES
7.8 RECOMENDACIONES
7.9 AGRADECIMIENTO
7.10 BIBLIOGRAFÍA
137
CAPÍTULO 8
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 CONCLUSIONES
La implementación del modelo hidráulico-físico de la toma caucasiana del río
Boquerón en el Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas de la UCE contribuirá a
complementar la enseñanza teórica con la práctica para los estudiantes del área de
hidráulica.
La modelación hidráulica de la captación realizada en el Laboratorio explica la
necesidad de construir una plataforma en el cauce del río aguas arriba de la rejilla
porque ayuda a que el agua sea captada de una manera bien distribuida, además
permite el paso libre de las partículas, evitando que se azolven antes del ingreso a la
rejilla.
Para realizar el diseño de una captación con rejilla de fondo se debe considerar cada
caso específico; para el presente estudio de la captación del río Boquerón el diseño
de la rejilla se realizó en todo el ancho del río, debido al poco caudal existente en el
río, a las altas velocidades y al ancho del río que es reducido; a pesar de esto, la
inclinación diseñada de la rejilla construida sea poco eficiente.
La composición granulométrica del cauce del río, fue estudiada para el diseño de la
captación. De este parámetro depende el diseño de las demás estructuras como el
desarenador, compuerta y canal de lavado.
Para el porcentaje de inclinación que tiene la rejilla, el caudal líquido de 46.9 l/s,
para el cual fue diseñado el proyecto, es captado en su totalidad; mientras que el
caudal sólido con un diámetro inferior al espaciamiento de la rejilla pasa hacia el
desarenador, una parte del material de diámetro mayor al espaciamiento de la rejilla
queda retenido sobre los barrotes lo cual obstruye el paso de las partículas hacia
aguas abajo del río.
Las partículas que han ingresado por la rejilla, la mayor parte se quedan retenidas
desde el canal de conducción hasta la transición, otras llegan a la cámara de
138
sedimentación y muy pocas son las partículas que avanzan hacia la compuerta de
lavado.
Esta investigación demuestra que a mayor velocidad, mayor caudal, menor Froude,
concluyendo que la fórmula aplicada para el cálculo del Froude es utilizada en
canales rectangulares en donde se tiene que el ancho del canal es dos veces mayor
que su altura y para este caso específico del río Boquerón el calado es muy pequeño
en comparación con el ancho del río.
139
8.2 RECOMENDACIONES
En el canal de conducción que ingresa a la transición se produce una gran
turbulencia y sobre elevación de la lámina de agua, a futuro podría dañar la
estructura, se recomienda ampliar el radio de curvatura del canal.
Para conseguir un desalojo eficiente del material sedimentado en el desarenador, se
recomienda cambiar la forma recta del talud que llega a la compuerta de lavado, por
una forma curva.
Antes de la construcción de obras hidráulicas de mediana y de gran importancia,
que requieran de alta inversión y que no son muy comunes, recomiendo se realice
estudios en modelos físicos para su respectivo análisis y posibles mejoras.
Uno de los factores limitantes en la presente investigación fue la capacidad de las
bombas; cuando esta se incremente recomiendo entonces hacer un análisis para
caudales mayores al de diseño y observar el comportamiento de las estructuras que
forman parte de la toma caucasiana del río Boquerón.
140
BIBLIOGRAFÍA
1. AGUA, A. N. (2010). Manual: Criterios de Diseños de Obras Hidraulicas para la
Formulacion de Proyectos Hidraulicos Multisectoriales y de Afianzamiento
Hidrico: http://www.ana.gob.pe/media/389716/manualdise%C3%B1os-1.pdf
2. BOLINAGA, J. (1979). Drenaje Urbano. CARACAS.
3. CASTRO, M. D; HIDALGO, X. B; POVEDA, R. F. (s.f.). (2016) Sobre la
Modelación Hidráulica en Obras de Saneamiento Básico:
http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/ecuador10/leo.pdf:
4. Chanson, H. (2002). Hidráulica del Flujo en Canales Abiertos. (E. A. H, Ed.)
Australia.
5. CHOQUEHUANCA CHAMORRO, J; PECEROS OSCCO, C; TAPIA JIMENEZ,
D; TORRES CARO, J; TORRES VARGAS, K; ZUÑIGA CUSI, K. (2011).
Trabajo Desarenador. Huancayo.
6. CHOW, V. T. (1983). Hidráulica de los Canales Abiertos (Segunda ed.). Mexico
7. CORCHO ROMERO, F; DUQUE SERNA, J. I. (2005). Acueductos: Teoría y
Diseño (Tercera Edición ed.). (L. D. Escobar, Ed.) Medellín, Colombia: Sello
Editorial.
8. FELICES, A. R. (2003). Modelos Hidráulicos. Investigación en Modelos Físicos y
Matemátios de Obras Hidráulicas:
http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/modelos_hidraulicos_de_
Rocha.pdf
9. GTZ. (1991). Taller de Microcentrales Hidroélectricas. (C. Fernández-Jáuregui, H.
Lauterjung, & M. Viaene, Edits.) Montevideo, Uruguay.
10. KROCHIN, S. (2010). Diseño Hidráulico (Tercera Edición ed.). Loja, Loja,
Ecuador: Editorial de la Universidad Técnica Particular de Loja.
141
11. PIZANO, S. I. (2002). Consideraciones Previas Obras Hidráulicas en Cuencas
Andinas:Obras de Toma:
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/laderas_andinas/paginas/
OBRAS%20DE%20TOMA.htm
12. SOTELO, G. (1995). Hidráulica General (Vols. 1- Fundamentos ). (G. N. Editores,
Ed.) México: Limusa S.A.
13. SUSTENTABLE), P. (. (2010). Tomas Tirolesas. (S. R. Públicas, Ed.):
http://www.senari.gob.bo/archivos/TOMAS_TIROLESAS.pdf
15. WEBER, I. J. (2003). Hidráulica del transporte de sedimentos. Cordoba.
16. Información del Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas.
17. Materia, información, planos del Consejo Provincial de Pichincha.
144
Fotografía N°1: Visita técnica al lugar donde está siendo implantada la toma caucasiana en
el río Boquerón, con personal técnico del Consejo Provincial, el señor tutor del trabajo de
investigación, docente de la UCE, personal del laboratorio, estudiante que realizó la
investigación y persona quien construiría el modelo.
Fotografía N°2: Vista general de la captación del río Boquerón, afluente de ríos
amazónicos, del cual se captará 1.5 m3/s para dotar de agua para riego a los cantones Pedro
Moncayo y Cayambe.
145
Fotografía N°3: Hasta el momento de la visita realizada el 13 de agosto de 2016 se
encontraba construida la transición, el desarenador y el vertedero hidrodinámico.
Fotografía N°4: Prototipo de desarenador, taludes, compuerta de lavado y vertedero
construidos para conformar la captación del río Boquerón.
146
ANEXOS N°2.- VISITA POR PARTE DE LOS SEÑORES DEL
CPP AL LABORATORIO DE INVESTIGACIONES
HIDRÁULICAS
147
Fotografía N°5: Explicación de la tesista y su tutor al personal del Consejo Provincial de
Pichincha sobre el proceso llevado a cabo para la construcción del modelo hidráulico de la
toma caucasiana del río Boquerón.
Fotografía N°6: Corrida de prueba sobre el modelo en visita de los técnicos del Consejo
Provincial de Pichincha.
149
Fotografía N°7: Medición de volúmenes y de tiempos para tabularlos y formar la curva de
calibración del vertedero triangular, ubicado en el canal de recirculación.
Fotografía N°8: Medición de caudales volumétricos para aforar el vertedero de apoyo del
modelo.
152
Fotografía N°10: Primeras corridas de pruebas realizadas sobre el modelo para determinar
posibles mejoras a realizar para las posteriores corridas.
Fotografía N°11: Corrección de fugas encontradas en las estructuras de lavado, ubicada a
continuación del desarenador.
155
Fotografía N°13: Proceso de lavado de las partículas traídas del lecho del río Boquerón,
para realizar la granulometría.
Fotografía N°14: Proceso de tamizado realizado en el laboratorio de ensayo de materiales
de la UCE, para obtener los diferentes diámetros de análisis.
156
Fotografía N°15: Después de haber determinado los distintos diámetros de estudio, se
procedió a pintar cada partícula de un color distintivo.
158
Fotografía N°16: Colocación de todos los diámetros de partículas para analizar su
comportamiento con un caudal de 49.6 l/s.
Fotografía N°17: Medición de la altura de velocidad, calado, aguas arriba de la rejilla, para
después hacer el cálculo del número de Froude.
159
Fotografía N°18: Material retenido sobre la rejilla, que ha pasado aguas abajo de la rejilla.
Fotografía N°19: Partículas que han ingresado por la rejilla y han avanzado hacia el
desarenador.