RÁPIDAS Y DESARENADOR

7/23/2019 RÁPIDAS Y DESARENADOR

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UNI VERSIDAD NACIONAL DANI EL ALCIDES CARRIÓN

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE I NGENI ERÍA

1DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 3

OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 3

Objetivo Principal ........................................................................................................................... 3

Objetivo Secundario ........................................................................................................................ 3

I. DISEÑO DE RÁPIDAS ........................................................................................................................ 4

1.1. DEFINICIÓN: ........................................................................................................................ 4

1.2. PARTES:................................................................................................................................ 4

1. Transición de Entrada ............................................................................................................. 5

2. Sección de Control .................................................................................................................. 5

3. Rampa ................................ ................................................................................................... 5

4. Trayectoria ............................................................................................................................. 5

5. Colchón Amortiguador ................................................................................................ ............ 6

6. Transición de Salida ................................ ................................................................................ 6

1.3. TIPOS DE RÁPIDAS:............................................................................................................. 6

1. RÁPIDAS LISAS ........................................................................................................... ............. 6

2. RÁPIDAS ESCALONADAS .......................................................................................................... 7

3. COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS................................................................... 8

1.4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS ............................................................ 8

1. Coeficiente de Rugosidad de MANNING ................................................................................... 8

2. Transiciones ........................................................................................................................... 8

3. Tramo Inclinado .................................................................................................................... 10

4. Trayectoria ........................................................................................................................... 11

5. Poza Disipadora .................................................................................................................... 12

6. Formación de Ondas ................................................................................................. ............ 16

1.5. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO: ......................................................................................... 17

II. DESARENADOR .................................................................................................................. ........... 18






2.1. CONCEPTOS ...................................................................................................................... 18

2.2. PARTES DEL DESARENADOR: .......................................................................................... 19

2.3. PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO ......................................................................... 20

2.3.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS ......................................................................................... 20

2.3.2. INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO ........................................................................ 20

2.3.3. ESTUDIO DE CAMPO ..................................................................................................... 20

2.3.4. ALTERNATIVAS DEL PRETRATAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO PREVIO ........................ 21

2.3.5. ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE AGUA DE LA FUENTE .......................................................... 21

2.3.6. ANÁLISIS DE RIESGO Y VULNERABILIDAD DE LAS INSTALACIONES .................................... 21

2.3.7. DISEÑO DEL DESARENADOR .......................................................................................... 22

2.3.8. CRITERIOS DE DISEÑO ................................................................................................... 22

2.4. NORMATIVIDAD ................................................................................................... ............ 23

2.4.1. ALCANCES .................................................................................................................... 23

2.4.2. REQUISITOS ................................................................................................................. 23

2.5. EJEMPLO REAL ................................................................................................................. 24

2.5.1. PROYECTO RAPAY ......................................................................................................... 24

2.5.2. PLANTA DE TRATAMIENTO RIO RIMAC .......................................................................... 26






INTRODUCCIÓNA los alumnos del curso de Diseño de Obras Hidráulicas, como parte de nuestra formación

académica y profesional, se nos ha solicitado el diseño de una rápida y un desarenador, con el

propósito de obtener los conocimientos básicos para solventar problemas relacionados a estas

obras hidráulicas.

Estas dos obras hidráulicas no pueden tratarse como complementos de otras obras hidráulicas,

puesto que, las obras en cuestión, poseen una función importante y particular, como el

desarenador el cual brinda un pretratamiento a las aguas captadas para diversos usos.

El trabajo monográfico está dividido en dos partes; la primera, corresponde al diseño derápidas; la segunda, al diseño de un desarenador. Así mismo, el presente trabajo presenta

conceptos, formulas, parámetros de diseño, normativas y ejemplos de diseño, tomados del

texto guía del curso y también ejemplos reales propuestos por el grupo de trabajo.

OBJETIVOSObjetivo Principal

Exponer y detallar los parámetros y criterios básicos para el diseño de las rápidas y

desarenadores.

Realizar el diseño de una rápida.

Realizar el diseño de un desarenador.

Objetivo Secundario

Proporcionar una fuente de información que sirva de guía para el diseño eficiente de

una obra hidráulica (Rápidas y Desarenadores).

Proponer técnicas para diseñar un desarenador y rápida en diferentes circunstancias

reales.






I. DISEÑO DE RÁPIDAS

1.1. DEFINICIÓN:Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe

un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la

utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditada a un estudio

económico comparativo.

1.2. PARTES:En una rápida se pueden distinguir las siguientes partes:

Transición de entrada

Sección de control

Rampa

Trayectoria

Colchón

Amortiguador

Transición de

salida

Transición

de entradaTransición

de salida






1.

Transición de Entrada

Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo

inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión

en el canal. El control es logrado por la combinación de una retención, un vertedero

o un control notch en la entrada. La entrada usada deberá ser simétrica con

respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas

arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido,

permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea

suspendida.

Las pérdidas de carga a través de la entrada podrían ser despreciadas en el caso que

sean lo suficientemente pequeñas que no afecten el resultado final. De otramanera, las pérdidas a través de la entrada deben ser calculadas y usadas en la

determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente

del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crítico ocurre donde la

pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En

el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para

soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, debería calcularse dicha

velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energía al

inicio del tramo inclinado.

2.

Sección de Control

Es la sección donde se presenta el cambio de pendiente y se caracteriza porque en

esta sección se produce el tirante crítico.

3.

Rampa

Es el tramo de canal con pendiente mayor que la crítica presentándose en él un

escurrimiento de régimen súper-critico.

4.

Trayectoria

Es una curva parabólica que liga la rampa con la parte inicial del colchón

amortiguador. Se adopta esta forma debido a que es la trayectoria libre seguida por

el agua, de esta manera se evita que el agua se separe de la plantilla produciendo

vibraciones y erosión.






5.

Colchón Amortiguador

Es un depósito formado en su parte inicial por un plano inclinado 1.5:1, después por

un fondo plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une mediante un

escalón.

El objeto del colchón amortiguador es disipar la energía cinética que trae el agua

para evitar la erosión de la estructura.

6.

Transición de Salida

Es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energía y

el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tall water) al

disipador de energía, la .superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si seconstruye una transición de salida de concreto y no hay control del flujo después en

el canal, la transición puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de

la transición en el sitio de la uña.

El tirante de aguas abajo también puede ser provisto por la construcción de un

control dentro de la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de

salida es despreciable.

1.3. TIPOS DE RÁPIDAS:Se pueden distinguir los siguientes tipos:

1. RÁPIDAS LISAS

Son canales de fondo liso con pendientes adecuadas a las condiciones topográficas

del terreno y al caudal que se desea evacuar. En ellos, el agua escurre a velocidad

apreciable, llegando al pie de la ladera o talud con gran cantidad de energía cinética

que requiere ser disipada para no erosionar el lecho del cauce receptor del agua, ni

poner en peligro la estructura por socavación de su pie; para esto se emplean

tanques amortiguadores con dentellones o bloques.

El diseño de las rápidas lisas principalmente está en función del caudal de diseño

por evacuar, de las características geométricas escogidas para el canal, de la

pendiente del terreno y del material a utilizar.

El canal diseñado debe ser capaz de resistir las velocidades que se desarrollen en él

y de conducir el agua sin rebosarse para el periodo de retorno seleccionado.

Este tipo de canales generalmente se construye en concreto reforzado, lo que

garantiza una buena resistencia ante altas velocidades de flujo, por ejemplo, entre






10 y 20 m/s, y en particular para los tipos de concreto (según su resistencia a la

compresión) que normalmente se usan en el país. Además, por los caudales que se

manejan en estos canales, muy difícilmente se alcanzan velocidades que superen lasindicadas.

2.

RÁPIDAS ESCALONADAS

Son canales con gradas o escalones (Ver Fotografía 8) donde, a la vez que se

conduce el agua, se va disipando la energía cinética del flujo por impacto con los

escalones, llegando el agua al pie de la rápida con energía disipada, por lo que no se

hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequeña.

Primero, se debe definir el régimen preferencial del flujo para el caudal de diseño,

en cuanto a si este sería saltante (se caracteriza por una sucesión de chorros en

caída libre que chocan en el siguiente escalón, seguidos por un resalto hidráulico

parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en él, el agua fluye sobre los escalones

como una corriente estable rasando sobre ellos y amortiguándose por el fluido re

circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la disipación de la

energía, en el régimen saltante, se produce en cada escalón, al romperse el chorro

en el aire, al mezclarse en el escalón o por formación de resaltos hidráulicos; y en el

régimen rasante, se produce en la formación de vórtices en las gradas, debido a quelas gradas actúan como una macro rugosidad en el canal.

Para el diseño de rápidas escalonadas se recomiendan los siguientes pasos3, sin

profundizar en el tema por no ser el propósito de este documento:

Estimar el caudal de diseño.

Evaluar la geometría del canal (pendiente, altura y ancho).

Seleccionar la altura óptima del escalón, para obtener el régimen de flujo

seleccionado.

Calcular las características hidráulicas del flujo.

Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En losregímenes de flujo saltante se debe airear el salto en su caída libre de unescalón a otro.

Diseñar la cresta de la rápida.

Calcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre pararecoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos.






Si se desea disipar mayor energía se puede adicionar elementos para este propósito

como bloques de cemento o salientes en la grada (que bloquean el flujo), rápidas

escalonadas con tapas (que interceptan los chorros de agua) o rápidas escalonadascon vertedero y pantalla (forman resalto hidráulico y atenúan el golpe del agua).

3.

COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS

Son estructuras conformadas por canales de rápidas lisas que incluyen en su

desarrollo longitudinal un escalón u otro elemento disipador de la energía cinética

del flujo, prescindiendo en la mayoría de los casos del empleo de estructuras

disipadoras en el pie de la estructura.

A este tipo de estructuras pertenecen el Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y el

Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC); estas estructuras requieren de un

diseño especial debido a que disipan la energía del flujo a lo largo del canal y no al

pie de ésta.

1.4. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA RÁPIDAS1.

Coeficiente de Rugosidad de MANNING

En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo sonusados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING “n”

cuando se calcula la altura de muros en una rápida de concreto, se asumevalores de n=0.14 y en el cálculo de niveles de energía valores de n=0.010.

Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froudea lo largo del tramo rápido, para evitar que el flujo no se despegue delfondo.

2.

Transiciones

Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la

formación de ondas. Un cambio brusco de sección, sea convergente ó divergente,

puede producir ondas que podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a

través del tramo inclinado y el disipador de energía. Para evitar la formación de

ondas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie de agua en el plano de

planta desarrollado de cada lado de una transición no debería ser menor que 3.375

veces el número de FROUDE (F). Esta restricción sobre ángulos de deflexión se

aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el tramo inclinado o






en la poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el

máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada

puede ser aproximadamente 30°. El ángulo de la superficie de agua con el eje en latransición de salida puede ser aproximadamente 25 ° como máximo. El máximo

ángulo de deflexión es calculado como sigue:

Cotang α = 3.375 F (1)

Dónde:

(2)

d = tirante de agua normal al piso de la rápida usando d = Área de la sección / Ancho

superior de la sección.

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/seg², o sea 32.2 pies/seg²).

K = un factor de aceleración, determinado abajo:

- Con el piso de la transición en un plano, K = 0- Con el piso de la transición en una curva circular

(3)

- Con el piso de la transición en una curva parabólica:

(4)

El Bureau of Reclamation limita el valor de K hasta un máximo de 0.5, para asegurar unapresión positiva sobre el piso. Puede ser usado el promedio de los valores de F en el

inicio y final de la transición.

En (3) y (4)

hv = carga de velocidad en el origen de la trayectoria (a)

Lt = longitud de la trayectoria (m)

R = radio de curvatura del piso (m)

V = velocidad en el punto que está siendo considerado (m/seg)






θ = ángulo de la gradiente del piso en el punto que está siendo considerado

θL

= ángulo de la gradiente del piso en el inicio de la trayectoria θ

θo

= ángulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria L

El ángulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transición

pueden ser calculados y trazados. Una cuerda que se aproxime a la curva teórica

puede ser dibujada para determinar el acampanamiento a ser usado. Limitando el

ángulo de acampanamiento en una transición de entrada, se minimiza la posibilidad

de separación y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura. Las

transiciones de entrada asimétricas y cambios de alineamiento inmediatamente

aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque pueden producir ondas

cruzadas o flujo transversal que continuará en el tramo inclinado.

3.

Tramo Inclinado

La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del

flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de

ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción

son siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario

incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) paramantener la estructura dentro de la cimentación. Para rápidas menores de 9 m (30

ps) de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La ecuación de

BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado.

La ecuación:

d1 + hv + Z = d2 + hv (5)

Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevación del piso. Para tramos

inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las pérdidas por fricción y laecuación será:

d1 + hv + Z = d2 + hv2 + hf (6)

En las ecuaciones (5) y (6):

d1 = tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m)

hv1 = carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m) d2 = tirante en el

extremo aguas abajo del tramo (m)

hv2 = carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m)






La cantidad ho es la pérdida por fricción en el tramo y es igual a la pendiente de fricción

promedio So en el tramo, multiplicando por la longitud del tramo L. El coeficiente n de

MANNING es asumido en 0.010. La pendiente de fricción Sf, en un punto del tramo

inclinado es calculado como:

Sf = (h2v2)/R4/3

Dónde:

R = radio hidráulico del tramo inclinado (m) Usando la ecuación (5) o la (6), se asume d2

y se calcula y comparan los niveles de energía. Deben hacerse tanteos adicionales hasta

balancear los dos niveles de energía. Otra forma de la ecuación en que la fricción es

considerada es:

L= ((d1 + hv1) – (d2 + hv2))/(Sa – S) (7)

Dónde:

Sa

= pendiente de fricción promedio

S = pendiente de fondo del tramo inclinado

Usando la ecuación (7), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequeños

cambios de energía y se calcula el correspondiente cambio en longitud. Este

procedimiento es repetido hasta que el total de los incrementos en longitud sea

igual a la longitud del tramo que está siendo considerado. Mientras menor sea elincremento de longitud, mayor será la precisión.

La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta sería igual al

máxima tirante calculado en la sección, más un borde libre, o a 0.4 veces el tirante

critico en el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde

libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos

(con una capacidad < 2.8 m3/seg es 0.30 m) El tirante y borde libre son medidos

perpendicularmente al piso del tramo inclinado.

En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen,debido al aire incorporado que está siendo conducido. El borde libre recomendado

para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.

4.

Trayectoria

Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe

conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria

entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más

suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes mássuaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el






tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica resultaría en un valor de k

constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria

parabólica puede ser determinada con la siguiente ecuación:

Y = X tan Ѳo+ ((tan Ѳ

L- tan Ѳ

o) x

2)/2L

T (8)

Dónde:

X = distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria. (m)

Y = distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m)

LT = longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m)

Ѳo= ángulo de inclinación del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria

ѲL = ángulo de inclinación del tramo inclinado al final de la trayectoria.

Puede seleccionarse una longitud de trayectoria LT, que resulte en un valor

K = 0.5 o menos, cuando es sustituida en la ecuación (4). La longitudL

Tes usada entonces en el cálculo de Y, usando la ecuación (8).

La trayectoria debería terminar en la intersección de los muros del tramo inclinadocon los muros de la poza disipadora o aguas arriba de este punto. Una curva de granlongitud de radio, ligeramente más suave que la trayectoria calculada, podríanusarse. Si es posible la trayectoria debe coincidir con cualquiera que sea la

transición requerida. Se asume una elevación para el piso de la poza disipadora y secalcula el gradiente de energía en la unión del tramo inclinado y el piso de la poza.Las variables de flujo en este punto son usados como las variables aguas arriba delsalto hidráulico en el diseño de la poza disipadora.

5.

Poza Disipadora

En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendientepronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la

pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con eltramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y laenergía es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionadapara contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, elnúmero de FROUDE debería estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la pozadisipadora. Si el número de FROUDE es aproximadamente menor a 4.5 no ocurriríaun salto hidráulico estable. Si el número de FROUDE es mayor a 10, una pozadisipadora no sería la mejor alternativa para disipar energía. Las pozas disipadorasrequieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde laturbulencia pueda ser contenida. A veces son usadas pozas con muros divergentes,

que requieren atención especial. Para caudales hasta 2.8 m3/s la ecuación:






Dónde:

b = ancho de la poza (m)

Q = Caudal (m3/s)

Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los cálculos iniciales Para

estructuras donde la caída vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de energía

después del salto hidráulico debería balancearse con al cota del nivel de energía del

canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua después del salto hidráulico

puede ser calculado de la fórmula:

Dónde:

d1 = Tirante antes del salto (m)

v1 = velocidad antes del salto (m/s)

d2 = tirante después del salto

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)






RELACION ENTRE PÉRDIDA DE ENERGIA, TIRANTE CRÍTICO Y TIRANTES DE AGUA DE RESALTO (AGUAS

ARRIBA Y ABAJO) PARA RESALTOS HIDRAULICOS EN CANALES RECTANGULARES CON RASANTE

HORIZONTAL






Para estructuras donde la caída vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante después

del salto puede ser obtenida de la figura 2. La cota del nivel de energía, después del

salto hidráulico debería balancearse con la cota del nivel de energía en el canal, aguas

debajo de la estructura.

Si las cotas no están balanceadas, debería asumirse una nueva elevación para el piso de

la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energía. Los

tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido.

Si la revisión indica, el piso de la poza debería ser bajado o también se podría asumir un

ancho diferente de la poza para luego repetir el procedimiento de diseño.

La longitud mínima de poza (Lp) para estructuras usadas en canales es normalmente 4

veces d2. Para estructuras en drenes, donde el flujo será intermitente y de cortaduración, la longitud mínima puede ser alrededor de 3 veces d2. El borde libre es

medido sobre el nivel máximo de energía después del salto hidráulico.

Cuando la poza disipadora descarga intermitentemente o descarga hacia un cauce

natural u otro no controlado, debería construirse un control dentro de la salida de la

poza para proveer el tirante de aguas abajo necesario. El tirante crítico en la sección de

control debe ser usado para determinar el nivel de energía después. Cuando la poza

descarga hacia un canal controlado, el tirante en el canal debe ser calculado con un

valor n del canal, reducido en un 20% y este tirante usado para determinar el nivel de

energía después. Si se usa una poza con paredes divergentes, el ángulo de deflexión delos muros laterales no debería exceder el ángulo permitido en los muros de la sección

inclinada. Se puede usar lloraderos con filtro de grava para aliviar la presión hidrostática

sobre el piso y los muros de la poza disipadora y transición de la salida. Son provistos

bloques en el tramo inclinado y el piso para romper el flujo en chorro y para estabilizar

el salto hidráulico.

Si una transición de salida no es provista, se requerirá de un sólido umbral terminal. La

cara aguas arriba del umbral debería tener una pendiente 2: 1 y la cara después debería

ser vertical. La cota de la cima del umbral debería ser colocada para proveer el tirante

aguas abajo en el salto hidráulico.

POZA DISIPADORA Y UMBRAL TERMINAL






Una poza disipadora y una transición de salida construidas para las dimensiones

recomendadas tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el

agua turbulenta, pero la estructura debe contener suficiente de la turbulencia para

prevenir daños por erosión después de la estructura.

6.

Formación de Ondas

Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros

de la rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no sería

un disipador efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto

hidráulico estable. Un flujo no estable y pulsátil puede producirse en rápidas largas

con una fuerte pendiente. Estas ondas se forman en rápidas largas deaproximadamente 60 m y tienen una pendiente de fondo más suave que 20. La

máxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la

pendiente, y la capacidad máxima de flujo momentáneo y pulsátil es dos veces la

capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden también formarse en

una rápida. Estas son causadas por:

1. Transiciones abruptas de una sección del canal a otra;2. Estructuras asimétricas;3. Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.

La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida,

siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas

en las secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de dirección

en las estructuras. Algunas secciones de la rápida son más probables a sufrir ondas que

otras secciones. Secciones poco profundas y anchas (tipo plato) parecen ser más

susceptibles a flujo transversal, mientras que secciones profundas y angostas resisten

tanto al flujo transversal como al flujo inestable y pulsátil Las secciones de rápida que

teóricamente pueden prevenir la formación de ondas han sido desarrolladas. Un tramo

de rápida teóricamente sin ondas es mostrado en la siguiente figura:

SECCIÓN TEÓRICA DE UNA RÁPIDA DE FLUJO ESTABLE. LA FORMA TRIANGULAR PROVIENE TANTO DE LAS

ONDAS CRUZADAS COMO DE FLUJO NO ESTABLE






1.5. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO:

1. Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada.2. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida.

3. Calcula las variables de flujo en la sección de la rápida.

4. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida.

5. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular lascaracterísticas del flujo aguas arriba del salto hidráulico.

6. Determinar el gradiente de energía en el canal después del saltohidráulico.

7. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza yrecalcular los valores arriba mencionados varias veces, antes de que seobtenga una coincidencia de niveles de energía.

8. Revisar por operación adecuada con capacidades parciales.

9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.

10. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal otransición de salida como se requiera.

11. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.

12. Proporcionar protección en el canal después, si es requerido.






II. DESARENADOR

2.1. CONCEPTOSSon obras hidráulicas que sirven para separar (decantar) y remover

(evacuar)después,elmaterialsólidoquellevaelaguadeuncanal.

Tieneporobjetoseparardelaguacrudalaarenaypartículasensuspensión

gruesa, con la finalidad que se produzcan depósitos de la obras de

conducción,protegerlasbombasdelaabrasiónyevitarsobrecargasenlos

procesosposterioresdetratamiento.Eldesarenadorserefierenormalmente

alaremocióndelaspartículassuperioresa02mm.

CLASES DE DESARENADORES

1. DESARENADO DE LAVADO CONTINUO.-La sedimentación y la evacuación con dosoperaciones simultáneas.

2. DESARENADORES E LAVADO DISCONTINUOS.- (Intermitente) que almacena y luego

expulsa los sedimentos en movimientos separados.






2.2. PARTES DEL DESARENADOR:

2.2.1 Transición de entrada. Tiene como función el conseguir una distribución

uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizado a su vez

la velocidad.

2.2.2 Cámara de sedimentación. Las partículas sólidas caen al fondo, debido a la

disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección

transversal.

Para la arcilla 0.081 m/s

Para la arena fina 0.16 m/s

Para la arena gruesa 0.216 m/s

De esto se tiene el diseño de desarenadores para una velocidad entre 0.1

m/s y 0.4 m/s con profundidad media entre 1.5m y 4m , con sección

transversal rectangular o trapezoidal dando mejor resultado hidráulico la

sección trapezoidal para pendientes entre 1:5 y 1:8.

2.2.3 Vertedero. Pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las

que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el

desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea

posible debe trabajar con descarga libre. La velocidad límite es 1 m/s, para

evitar turbulencias.

2.2.4 Compuerta de lavado. Sirve para desalojar los materiales de depósitos en el

fondo, para facilitar el movimiento de las arenad hacia la compuerta, al

fondo del desarenador se le da una gradiente fuertes de 2 al 6%,incrementando de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente

CANAL DE

TRANSICIÓN DECAMARA DE SEDIMENTACIÓN

VERTEDERO

CANAL DE






no se incluye en el tirante de cálculo, si no que el volumen adicional se lo

toma como depósitos para las arenas sedimentarias entre dos lavados

sucesivo.

2.2.5 Canal directo. El cual da servicio mientras se está lavando el desarenador,

tiempos cortos.

2.3. PARÁMETROS Y CRITERIOS DE DISEÑO

2.3.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS

Pre tratamiento y acondicionamiento previos

Esta estructura persigue principalmente los objetivos de reducir los sólidos en

suspensión de distintos tamaños que traen consigo las aguas. La sedimentación

es un proceso muy importante. Las partículas que se encuentran en el agua

pueden ser perjudiciales en los sistemas o procesos de tratamiento ya que

elevadas turbiedades inhiben los procesos biológicos y se depositan en el medio

filtrante causando elevadas pérdidas de carga y deterioro de la calidad del agua

efluente de los filtros.

2.3.2. INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO

a. Caudal de Diseño

Las unidades en una planta de tratamiento serán diseñadas para el caudal

máximo diario.

b. Calidad fisicoquímico del agua

Dependiendo de la calidad del agua cruda, se seleccionarán los procesos de

pre tratamiento y acondicionamiento previo.

c. Características del clima

Variaciones de temperatura y régimen de lluvias.

2.3.3. ESTUDIO DE CAMPO






a) Estudio de fuentes: que incluya los aforos y los regímenes de caudal de por lo

menos los últimos tres años.

b) Zona de ubicación: levantamiento topográfico a detalle, análisis de riesgo y

vulnerabilidad de ella a desastres naturales.

c) Análisis de suelos y geodinámica

d) Análisis de la calidad del agua.

2.3.4. ALTERNATIVAS DEL PRETRATAMIENTO Y ACONDICIONAMIENTO PREVIO

La selección de los procesos dependerá de la calidad del agua, los riesgos

sanitarios involucrados, y la capacidad de la comunidad. Normalmente las plantas

de tratamiento de agua en el medio rural utilizan los desarenadores y

sedimentadores convencionales.

2.3.5. ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE AGUA DE LA FUENTE

Parámetros básicos de calidad del agua.

E. Coli, se aceptan como alternativa las bacterias coliformes fecales.

Turbiedad.- En aquellos lugares donde se tenga evidencia de la

existencia de sustancias nocivas o metales pesados se deberán

exigir los análisis respectivos.

2.3.6. ANÁLISIS DE RIESGO Y VULNERABILIDAD DE LAS INSTALACIONES

a Análisis de riesgo:

Los diseños deben contemplar los riesgos que conllevan las amenazas

más frecuentes de fenómenos naturales y otros predominantes en la zona:

lluvias, sequías, sismos, etc., principalmente en cuanto a su ubicación.






b Vulnerabilidad:

De las estructuras e instalaciones a:

Crecidas e inundaciones.

Períodos de sequía.

Contaminación de la fuente.

Intensidad y magnitud de sismos.

Erosión.

2.3.7. DISEÑO DEL DESARENADOR

a Zona de entrada

Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de

flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad.

b Zona de desarenación

Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de

partículas por acción de la gravedad.

c Zona de salida

Conformada por un vertedero de rebose diseñado para mantener una

velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada.

d Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada

Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el

deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.

2.3.8.

CRITERIOS DE DISEÑO

El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos

es de 8 a 16 años.

El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de

mantenimiento.

El periodo de operación es de 24 horas por día.

Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al






desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de

entrada.

La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20.

La sedimentación de arena fina (d<0.01 cm) se efectúa en forma más

eficiente en régimen laminar

La sedimentación de arena gruesa se efectúa en régimen de transición

con valores de Reynolds entre 1.0 y 1 000.

La sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con valores

de número de Reynolds mayores de 1 000.

2.4. NORMATIVIDAD

La Norma 0S.020 del Reglamento Nacional de Edificaciones nos manifiesta lo

siguiente:

2.4.1. ALCANCES

Establece las condiciones generales que debe cumplir los desarenadores.

2.4.2. REQUISITOS

a Remoción de partículas:

Aguas sin sedimentación posterior deberá eliminarse 75% de las

partículas de 0.1 mm de diámetro y mayores.

Aguas sometidas a sedimentación posterior deberá eliminarse 75%

de la arena de diámetro mayor a 0,2 mm. Deberá proyectarse

desarenadores cuando el agua a tratar acarree arenas. Estas

unidades deberán diseñarse para permitir la remoción total de estas

partículas.

b Criterios de Diseño:






El periodo de retención debe estar entre 5 y 10 minutos.

La razón entre la velocidad horizontal del agua y la velicidad de

sedimentación de las partículas debe de ser inferior a 20.

La profundidad de los estanques debe de ser de 1,0 a 3,0 m.

En el diseño se deberá considerar el volumen de material

sedimentable que se deposita en el fondo. Los lodos podrán

removerse según procedimientos manuales o mecánicos.

Las tuberías de descarga de las partículas removidas deberán tener

una pendiente mínima de 2%.

La velocidad horizontal máxima en sistemas sin sedimentación

posterior será de 0.17 m/s y para sistemas con sedimentación

posterior será de 0.25 m/s.

Deberá existir, como mínimo, dos unidades.

2.5. EJEMPLO REAL

2.5.1. PROYECTO RAPAY

1. Toma y Desarenador Huayllapa: Donde se captará y desarenará parte de las

aguas del río Huayllapa.






2. Túnel de Conducción Huayllapa (6.2 Km.): Conducirá las aguas desde el

Desarenador Huayllapa hasta la entrada del Pique Vertical 1.

3. Toma y Reservorio Pumarinri: Donde se captará y embalsará parte de las aguas

del río Pumarinri.

4. Túnel de conducción Pumarinri (5.1 Km.): Conducirá las aguas desde el

Reservorio Pumarinri hasta la entrada del Pique Vertical 1.

5. Pique Vertical 1: A través de este túnel las aguas caerán 850 m. En el pie de la

caída se ubicará la Casa de Máquinas 1.

6. Casa de Máquinas 1: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde

se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. La

energía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de

Transmisión.

7. Túnel de Descarga 1 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas

utilizadas para la generación eléctrica al río Pumarinri, sin alteración alguna en su

calidad.

8. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 1: Permitirá el ingreso del personal a la

Casa de Máquinas 1 para labores de operación y mantenimiento.

9. Toma y Reservorio Sahuay: Donde se captará y embalsará parte de las aguas

del río Pumarinri.

10. Túnel de Conducción Rapay (4.9 Km.): Conducirá las aguas desde el

Reservorio Sahuay hasta la entrada del Pique Vertical 2.

11. Pique Vertical 2: A través de este túnel las aguas caerán 660 m. En el pie de la

caída se ubicará la Casa de Máquinas 2.

12. Casa de Máquinas 2: Estructura donde se ubicarán las turbinas. Es aquí donde

se produce la energía eléctrica debido a la fuerza de la caída de las aguas. Laenergía generada se transportará por medio de unos cables hacia la Línea de

Transmisión.

13. Túnel de descarga N° 2 (1 Km.): Mediante este túnel se devolverá las aguas

utilizadas para la generación eléctrica al río Rapay, sin alteración alguna en su

calidad.

14. Túnel de Acceso a Casa de Máquinas 2: Permitirá el ingreso del personal a la

Casa de Máquinas 2 para labores de operación y mantenimiento.





15. Línea de Transmisión: Transportará la energía eléctrica generada en las Casas

de Máquinas 1 y 2.

2.5.2. PLANTA DE TRATAMIENTO RIO RIMAC

1. Río Rímac

2. Dosificador de polímeros

3. Desarenadores

4. Precloración

5. Estanques reguladores

6. Dosicación de coagulantes

7. Decantación

8. Planta de recirculación

9. Filtración

10. Cloración

11. Reservorio de almacenamiento

RÁPIDAS Y DESARENADOR

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