RESUMEN DE PARAMETROS DE DISEÑO BOCATOMA RACARUMI

1. HIDROLOGIA

Las obras de protección a diseñar, deberán proyectarse con miras a soportar grandes avenidas originadas por el Fenómeno El Niño, con esta consideración se ha determinado los caudales máximos que puede soportar la Bocatoma existente, habiéndose calculado el Caudal Máximo de Vertimiento por el Barraje fijo (QV) y Barraje móvil o compuertas de río (QR) La Sumatoria de estos caudales sería el Caudal Máximo que pasa por toda la estructura y nos permitirá definir la altura de los diques de encauzamiento aguas abajo de la bocatoma.

1.1 Caudal Máximo de Vertimiento

Datos generales del Barraje de la BocatomaCota Corona Barraje : 284.80 mNivel Max. de Agua : 287.30 mCota Corona Muro Laterales : 288.00 mBorde Libre Considerado : 0.70 mCarga Hidráulica Util sobre el Barraje : 287.30 - 284.80 = 2.50 m

1.1.1 Según el Manual de Instrucciones para la Operación Hidráulica de la Bocatoma Dr. Rolf Niemeyer - 1983

El Dr. Niemeyer en su cálculo no considera la Velocidad de Llegada y hace el siguiente análisis:

Q b gho2

32 3 2 /

b = 148.13 m de longitud de barrajeho = 2.50 mu = 0.75, Coeficiente de Descargag = 9.81 m/s2, Aceleración de la Gravedad

Reemplazando Valores :Q = 1,296.8 m3/s

1.1.2 Según Salzgitter

Según la Revista el Ingeniero Civil - 1982, en artículo firmado por el Ingeniero Agustín Silva Huaman servidor de Salzgitter: El barraje fue proyectado para un caudal de vertimiento de 1700 m3/s.

1.1.3 Caudal de vertimiento sin barraje arenado aguas arriba-según DEPOLTI

A. Sin considerar velocidad de llegada

P = 4.8 (Prof. de Llegada del Agua)H = 2.50 mP / H = 1.92 y según Fig. 2.23 de la Publicación Presas de Derivación (Ing. Velasco)

Se obtiene :C = 2.17 yQ = CLH3/2 = 2.17 x 148.17 x 2.5 3/2Q = 1,270.00 m3/s

B. Considerando velocidad de llegada

V = Q / A = 1,270 / 2.50 x 148.17 = 3.43 m3/s

V2/2g = 3.432 / 19.62 = 0.60 m

Energía Total en la Cresta del Vertedero : 2.50 + 0.60 = 3.10 m

Luego :

C = 2.18 yQ=CLH3/2

Q = CLM3/2 = 2.18 x 148.17 x 3.10 3/2Q = 1,763.0 m3/s

Lo que significa que cuando el barraje no está arenado aguas arriba, el caudal considerando velocidad de llegada es mayor en un 39%.

1.1.4 Caudal de Vertimiento con Barraje Totalmente Arenado Aguas Arriba- según DEPOLTI

A. Sin Considerar Velocidad de Llegada

P = 0 (Profundidad de barraje)

Luego :

P/H = 0/2.5 = 0 ; en este caso C = 1.7. Luego :Q = CLH 3/2 = 1.7 x 148.17 x 2.5 3/2 = 995.7 m3/s.

B. Considerando velocidad de llegada

V = Q / A = 995.7 / 148.17 x 5 = 2.69 m/sV2 / 2g = 0.37 Energía Total en la Cresta del Vertedero: 2.50 + 0.37 = 2.87 m.C = 1.70 yQ = CLH 3/2 = 1.7 x 148.17 x 2.87 3/2 = 1,225 m3/s

Lo que quiere decir, que cuando el barraje está totalmente arenado aguas arriba, el caudal considerando velocidad de llegada es mayor en un 23%.

1.2 Capacidad de Descarga de las Compuertas de Río

1.2.1 Según Estudio de Eficiencia Hidráulica de Bocatoma Raca Rumi elaborada por DEPOLTI - 2001

Cota de solera de fondo de compuertas de río : 278.80 mNivel Máximo de Embalse : 286.00 ma = 3.40 m Abertura Máxima de la Compuertab = 5.00 m Ancho de la Compuerta (son 03 compuertas)h = 7.20 m Carga Hidráulica Máxima Disponible (286.0 - 278.8)Cd = 0.607 Coef. de DescargaQ = Cd x a x b 2gh = 0.607 x 3.40 x 5 x 19 62 7 2. .xQ = 122.6 m3/s por c/u de las tres (03) compuertas, luego por las tres (03) compuertas pasarian:Q = 122.6 x 3 = 367.8 368 m3/s

1.3 Caudal Máximo de Descarga del río Chancay Aguas Abajo de Bocatoma Raca Rumi

1.3.1 Según DEPOLTI Abril 2002 ( Ing. E. García Rico)

A. Considerando Velocidad de Llegada

Sin Arenamiento Aguas Arriba del Barraje : 1763 + 368 = 2131 m3/sCon Arenamiento Aguas Arriba del Barraje : 1225 + 368 = 1593 m3/s

En este caso, cuando el cauce está limpio, el caudal máximo del río es 34% mayor que cuando está arenado.

B. Sin Considerar Velocidad de Llegada

Sin Arenamiento Aguas Arriba del Barraje : 1638 m3/sCon Arenamiento aguas arriba del barraje : 1364 m3/s

En este caso, cuando el cauce está limpio, el caudal máximo del río es 20% mayor que cuando está arenado.

1.3.2 Según CESEL - Oct. 1999

El Caudal Max. Promedio Diario para T = 10,000 años : Qmpd = 728.0 m3/sEl Caudal Instantáneo para T = 10,000 años : Qinst = 920.0 m3/sLa Crecida Probable Máxima como Qmpd = 1664.0 m3/sLa Crecida Probable Máxima como Qinst = 2100.0 m3/s

1.4 Caudal de Diseño de las Obras de Protección

1.4.1 Para Altura de Diques Aguas Abajo de Bocatoma

Considerando el cauce sin arenamiento aguas arriba del barraje y teniendo en cuenta la velocidad de llegada :

Qd = 2131 m3/s

1.4.2 Para Profundidad de Socavación y de roca aguas abajo de poza de disipación del barraje

Considerando el cauce sin arenamiento aguas arriba del barraje y teniendo en cuenta la velocidad de llegada :

Qd = 1763.0 m3/s

1.4.3 Para Profundidad de Socavación y de roca aguas abajo de las compuertas de río

Según Ítem 1.2 el caudal de diseño sería :

Qd= 368 m3/s

2. PROTECCION CON ENROCADO AGUAS ABAJO DE POZA DE DISIPACION DEL BARRAJE

2.1 Longitud de la Poza de Disipación del Barraje

Para Q = 1763 m3/sY1 = 0.976 m ; V1 = 12.19 m/s F1 = 3.94 E1=8.55 m E2=5.26mY2 = 4.97 m ; V2 = 2.39 m/sEficiencia del Salto Hidráulico: E2 / E1 = 0.615

Esto nos indica que en el Salto Hidráulico se perderá el 38.5% de la energía E1.Según Ven Te Chow Fig. 15-4, Pag. 374, la longitud de una Poza de Disipación Rectangular y sin dispositivos amortiguadores sería:

F1 =3.94 y Y2 = 4.97 m.

L / Y2 = 5.80 L = 5.80 x 4.97 = 28.83 m. L = 29.00 m

Comentario: La poza de disipación ha sido construida con una longitud de 12.00 m., 40%. Menor a la longitud necesaria para el caudal de 1763 m3/s. por esta razón, durante el Fenómeno El Niño de 1998, para el caudal máximo observado de 1200 m3/s (dato de ETECOM S.A.). El cauce quedó fuertemente erosionado arrastrando el enrocado de protección que fuera colocado aguas abajo del barraje. Teniendo en cuenta el próximo Fenómeno El Niño 2003, sería conveniente alargar la poza unos 12.00 m más o proteger el cauce con enrocado de dimensiones adecuadas una longitud aproximada de 40.0 m. En este caso se puede calcular el enrocado para el caso más desfavorable, asumiendo que a la salida de la poza en el cauce del río, ocurre el tirante crítico de la cresta del barraje para Q=1763 m3/s.

2.2 Cálculo de la Socavación y del Enrocado en el cauce del río inmediatamente aguas abajo de la poza de disipación

De acuerdo al comentario expresado en el ítem 2.1 se tiene :

2.2.1 Cálculo del tirante crítico

Yc = q

g

2

3 = 11.90

9.81

2

= 2.43 m q = 1763

14817.= 11.90

m3/s

Vc = 4.9 m/s

2.2.2 Socavación para Yc=2.43 m

Qd

dm Be x x5 3 5 3

1763

2 43 14817 0 9952 715

/ /. . ..

ds =

do

Dm

5 3

0 28

1

1

0 68

/

..

= 2 715 2 43

0 68 1545 11

5 3

0 28

0 75. .

. . .

/

.

.x

x x

= 4.5 m

Prof. Socavación : ds - do = 4.5 - 2.43 = 2.07 m

Considerando un Coef. de Seguridad de 1.2 resulta Prof. Socavación : 2.50 m, el Coef. de seguridad bajo se asume teniendo en cuenta que el cauce del río ya no tendrá un Dm de 15.45 m. cuando el cauce esté enrocado.

2.2.3 Cálculo del de la roca para Vc=4.90 m/s

Se calcula el tamaño d50 para Vc=4.9 m3/s

50 = = 14

16

4 9

19 62

1

051

2.

.

.

. .x x = 2.10 m 2.00 m

fSen

Sen 1

2

2

= 132

38

2 0

2 2Sen

Sen = f 1

0 280814

0 379

.

. = 0.51

= 32º Angulo de reposo del material del río = 38º Angulo de fricción interna grava arenosa

2.3 Cálculo de la Longitud del Enrocado aguas abajo de la poza

Se calcula con las siguientes asunciones:

Según el ítem 2.1 la poza para Q = 1763 m3/s debe tener una longitud de 29.00 m. Los 12.00 m que tiene actualmente resulta muy corta se necesitaría prolongarla 17.00 m más para soportar 1763 m3/s.

Como resulta antieconómico alargar la poza 17.0 m se protegerá con roca el río aguas abajo de la poza actual.

La longitud del enrocado de protección se calcula asumiendo que a la salida de la poza actual ocurre el tirante crítico asumir que este sería el tirante conjugado menor, Y1 = 2.43 m.

El tirante conjugado mayor en el cauce del río sería : Y2 = (278.60 + 4.97) - 280 = 3.57 m

En la poza actual se tiene :

Cota de fondo : 278.60 m.Cota del río : 280.00 mConjugado menor y1=0.976 mConjugado mayor y2=4.97 m

La longitud del enrocado se ha estimado en:Long. Enrocado = 17 + 6.5 (4.97 - 3.57)Long. Enrocado = 26.10 26.00 m de protección

Comentario : Después de las avenidas de 1983, aguas abajo de la poza de disipación el cauce del río fue protegido con un enrocado de 45.0 de longitud los 25 primeros a una profundidad de 2.00 m y los 20 restantes a 1.0 m de profundidad y sin uña al final el máximo fue de 1.0 m. Esta protección no dio resultado.

2.3.1 Cálculo del de la roca al final de la protección (Y=3.57 m)

d50 = =

d50 = 0.97 m ; en 2.2.3 se calculó:d50 = 2.00 m

Significa que al inicio de la protección se requiere piedra de d50 = 2.00 m y al final d50 = 1.00 m.En promedio se puede asumir d50 = 1.50 m.

3. PROTECCION AGUAS ABAJO DE LAS COMPUERTAS DE RIO

3.1 Resalto Aguas Abajo de las Compuertas

La losa de fondo de las compuertas de río son de pendiente adversa y según Ven Te Chow Pg. 397, este es un tipo raro de salto y no hay datos experimentales adecuados disponibles en el momento actual.

En consecuencia hemos asumido que la pendiente no es adversa y se ha calculado el salto hidráulico asumiendo que el fondo es una losa plana lo cual sería el caso más desfavorable para calcular su longitud.

Según Item 1.2.1, el caudal de descarga por cada una de las tres (03) compuertas de río es Q = 122.6 m3 y por las tres (03) pasarían 368 m3/s.

Haciendo el análisis solo para una compuerta se tiene:

Q = 122.6 m3/s Y1 = a x Cc = 3.4 x 0.64 = 2.18 m Y2 = YF1

12

21 8 1

a = 3.4 m A1 = 2.18 x 5 = 10.9 m2 Y2 = 6.50 m

b = 5.0 m V1 = 122 6

10 9

.

. = 11.25 m/s V2 =

368

650 2320. .x

h = 7.2 m F1 = V

gY

1

1 = 2.44 V2 = 2.44 m/s

Cd = 0.607Cc = 0.64

Según Ven Te Chow Fig. 15-4 Pag. 374 la longitud del resalto sería:L

Y2

= 4.8 Luego : L = 6.5 x 4.8 = 31.2 m

La longitud actual de la losa a la salida de las compuertas es: 28.5 m.

Faltaría prolongarla : 31.2 - 28.5 = 2.7 m

Lf = 2.70 m.

3.2 Cálculo de la Socavación y del Enrocado con Tirante Crítico a la salida de las compuertas de río

3.2.1 Cálculo del Tirante Crítico

A la salida donde se unen la losa de fondo con el río el Tirante Crítico sería:

Yc = q

g

2

3 = 2.95 m q = 368 / 23.20 = 15.86 Vc = 5.38 m/s

3.2.2 Socavación

=

ds = =

Profundidad de Socavación : ds - do = 5.59 - 2.95 = 2.64 m

Profundidad de Socavación : 2.65 m. Sin considerar factor de seguridad.

Asumimos : 2.50 m

3.2.3 Cálculo del de la roca para Vc=5.38 m/s

d50 = = = 2.53 m

= 0.51 m (Ver Item 2.2.3)

3.2.4 Cálculo de la Longitud del Enrocado

Asumimos que aguas abajo de la actual poza donde esta se une con el río ocurre el Tirante Crítico Yc = 2.95 m. y Yc=5.38 m/s. Este tirante sería el conjugado menor Y 1, aguas abajo de el asumimos que ocurre el tirante conjugado mayor Y2 que sería igual a:

Y2 = (276.40 + 6.50) - 278.00 = 4.90 mLongitud de Enrocado: 6.5 (4.90 - 2.95) = 12.70 m

Le = 12.70 mLa Longitud Total de Protección sería : L f + Le = 2.7 + 12.70 = 15.40 mL f = 2.70 m. Ver Item 3.1

El tirante conjugado mayor (Y2) del tirante conjugado menor Y1=2.45 m. es 6.50 m. Cota fondo losa : 276.40 m

Cota fondo río : 278.00 m.

Comentario : Después de las avenidas del año 1983 aguas arriba de las compuertas de limpia se protegió el cauce del río una longitud de 30.0 m por una profundidad de 2.00 m con roca de voladura de = 1.00 m no funcionó. Antes, en el año 1977 se proyectó una longitud de 8.00 m a una profundidad de 4.0 m y piedra de = 1.00 m tampoco funcionó.

3.2.5 Cálculo del de la roca para velocidad con Y2 = 6.50 m

El tirante conjugado mayor en el resalto aguas abajo de las compuertas de limpia es Y2 = 6.50 m y la velocidad correspondiente es :

A = 6.50 x 23.20 = 150.8 m2V = 368 / 150.8 = 2.44 m/s ; Luego:

d50 = b v

g f

2

2

1 = 14

16

2 44

19 62

1

0 51

2.

.

.

. .x x = 0.52 m

Comentario : El criterio asumido para estimar la longitud y de la roca aguas abajo de las compuertas de limpia y de la poza de disipación del barraje, es haber considerado que en el río ocurrirá el resalto hidráulico inmediatamente después de dichas estructuras donde el tirante conjugado menor Y1 corresponde al tirante crítico Yc. Este sería el caso más crítico que nos permite enrocados más seguros, porque hasta la fecha todos los enrocados de protección que se han colocado no han dado buenos resultados.

Según nuestros cálculos a la salida de las compuertas de río se requiere al inicio, piedra de d50=2.53 m y al final d50 = 0.52 m. se puede usar en promedio piedra de arista 1.50 m.

| Chiclayo, Abril del 2002