Memoria De Calculo-represa 6v4ss

MEMORIA DE CÁLCULO Y DISEÑO PROYECTO: DE REPRESA ESTUDIO DE FACTIBILIDAD “MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE RIEGO A TRAVÉS DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA REPRESA ARHATA EN LOS SECTORES DE RIEGO DE LOS DISTRITOS DE CHUQUIBAMBA E IRAY, PROVINCIA DE CONDESUYOS – AREQUIPA”

Distritos : Chuquibamba e Iray

“MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE RIEGO A TRAVÉS DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA REPRESA ARHATA EN LOS SECTORES DE RIEGO DE LOS DISTRITOS DE CHUQUIBAMBA E IRAY, PROVINCIA DE CONDESUYOS – AREQUIPA”

201 5

Provincia : Condesuyos Región : Arequipa

INDICE Contenido I.

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

II. DISEÑOS HIDRÁULICOS............................................................................ 4 2.1 DISEÑO DE LA PRESA ARHATA....................................................................4 2.1.1 Altura de Presa................................................................................. 4 2.1.2 Selección del Tipo de Presa..............................................................8 2.1.3 Esquema Conjunto del Embalse........................................................8 2.1.4 Criterios de diseño...........................................................................8 2.1.5 Dimensionamiento.........................................................................10 a. Ancho de Coronación..........................................................................10 b. Bordo Libre o Resguardo....................................................................10 c. Profundidad de desplante...................................................................13 d. Inclinación de Taludes........................................................................13 e. Altura de corona.................................................................................. 15 f. Ancho de base...................................................................................... 15 2.1.6 Análisis de Resistencia a la Falla....................................................15 a.

Características Físicas de los Materiales...........................................15

b.

Análisis Estático y Pseudo-Estático....................................................15

2.2 OBRAS COMPLEMENTARIAS....................................................................21 2.2.1. BOCATOMA N° 01............................................................................21 2.2.2. CANAL DERIVACION N° 01..............................................................23 2.2.3. BOCATOMA N° 02............................................................................25 2.2.4. CANAL DERIVACION N° 02..............................................................27 2.2.5. SISTEMA DE DESCARGA.................................................................29 2.3. OPERACIÓN............................................................................................ 30

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“MEJORAMIENTO DEL SISTEMA DE RIEGO A TRAVÉS DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA REPRESA ARHATA EN LOS SECTORES DE RIEGO DE LOS DISTRITOS DE CHUQUIBAMBA E IRAY, PROVINCIA DE CONDESUYOS – AREQUIPA”

I.

INTRODUCCIÓN

El recurso hídrico es un bien preciado para la humanidad, y más aún para nuestros agricultores, cuyo sustento e ingreso monetario depende de la cantidad de agua de la que dispongan para regar sus cultivos. En la mayor parte del país, existen agricultores que cuentan con tierras muy fértiles, las que podrían generarles mayores ingresos y consecuentemente mejorar su calidad de vida, pero en las que se ven limitados al sembrar menos campañas y en menores áreas de terreno debido a que el riego sólo se puede hacer por secano y/o el agua de la que disponen en sus canales de regadío no los abastece del todo. Actualmente en la zona existe escases en la disponibilidad de recursos hídricos; sin embargo estos, como en la mayor parte de la sierra peruana, no son escasos en lo que a su existencia refiere, sólo hace falta una manera óptima de captarlos y utilizarlos y así evitar que se pierda este gran recurso, sobretodo en épocas de lluvias. Siendo así, a continuación se detallan los criterios hidráulicos, metodologías y memorias de cálculos hidráulicos, estructurales y otros aplicadas al proyecto en las obras de regulación y conexas; así como en la toma de captación, de conducción y derivación.

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Características Geométricas de la Presa-Arhata. Las características principales de la presa construida de concreto armado se diseñaron en base a las normas y determinaciones adjuntas: II.

DISEÑOS HIDRÁULICOS

2.1 DISEÑO DE LA PRESA ARHATA 2.1.1 Altura de Presa. Los cálculos de los volúmenes de almacenamiento de agua en la presa se hicieron a partir de la cota 3921 m.s.n.m, correspondiente al fondo del cauce. Según los

datos

procesados del cuadro N°1 y el gráfico de Área-Volumen para el sitio seleccionado que muestra la , elaborado en base a la superficie del espejo de agua a diferentes cotas, se puede determinar que para almacenar 8.21 MMC de volumen útil requerido se debe llega a la cota 3951 m.s.n.m. que viene a ser el NAMO o nivel normal de embalse. El nivel máximo de aguas extraordinarias (NAME) alcanza la elevación de 3952.9 m.s.n.m teniendo en cuenta el tránsito de la avenida milenaria de diseño que determina un tirante de 1.9 de aliviadero.

Cuadro 1. Relación altura volumen del embalse ALTURA DE PRESA: 30.00 m.

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Fuente: Elaboración Propia.

Figura 1. Curva Área volumen

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Fuente: Elaboración propia.

Figura 2. Área de la represa a 3951 m.s.n.m

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2.1.2 Selección del Tipo de Presa La tecnología, factores económicos y medioambientales gobiernan la elección de un determinado tipo de presa. Dentro los factores de carácter técnico, básicamente se tienen: las características geológicas y geotécnicas de la cimentación, la conformación y geometría del sitio de cierre, la disponibilidad y a las áreas de préstamo de materiales de construcción y la condición que la obra no provoque variaciones fundamentales en el medio ambiente que la circunda. Los requerimientos propios del diseño respecto a la localización, geometría, disposición y conformación, se han efectuado mediante el análisis de los siguientes aspectos:    

Función de la obra Características topográficas y geológicas de la boquilla Condiciones de la cimentación Calidad y localización de los materiales disponibles

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2.1.3 Esquema Conjunto del Embalse El embalse tiene el siguiente esquema de obras:   

Presa Aliviadero de demasías Sistema de descarga

La estructura de concreto armado, tiene un desplante cimentado en la roca que proporciona la estabilidad a la estructura. Debido a que la estructura se cimienta en la roca natural sana de tipo andesítica, se han despreciado los empujes propios de la fuerza de subpresión debido a que por ella no se producen filtraciones significantes. El vaso tiene una extensión que sobrepasa un área de 716,476.99 m2, o 71.6 has (ver Figura 2). En estas condiciones como resultado del tránsito de la avenida de diseño correspondiente a la de un periodo de retorno de 500 años, capaz de evacuar hacia una quebrada ubicada sobre esta margen derecha. El proyecto será de un canal de concreto. El sistema de descarga lo constituye la obra de toma que estará ubicado en la parte central de la estructura de la presa, dicha ubicación obedece

a que no se tiene otra posible dentro del

sistema, pero con un adecuado diseño no se tendrá los inconvenientes del caso. 2.1.4 Criterios de diseño El

diseño

de

una

presa

de

gravedad

de

concreto

armado,

consiste

principalmente en determinar la estabilidad de una sección máxima, según las condiciones extremas supuestas, al menor costo y máxima seguridad.

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Figura 3. Planteamiento hidráulico

Fuente: Elaboración propia

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El o de la presa con la cimentación será sobre roca. Teniendo en cuenta que la roca del cauce es sana y que por tanto la permeabilidad de no existe. Para ello se ha previsto un desplante de 1.5 m colocado sobre una capa de 10 cm de concreto puesta con la finalidad de nivelar la superficie. 2.1.5 Dimensionamiento a. Ancho de Coronación El ancho de la corona de una presa depende de varias consideraciones, como son:  

Altura e importancia de la estructura. Requerimiento de ancho para proveer masa al terraplén para resistir a los efectos sísmicos. Requerimiento de tránsito vehicular. Practicidad de construcción

 

El ancho de corona adoptado es 1.5 m, dimensión que deviene por aplicación de instructivos y normas técnicas que están en función de la altura de presa, atendiéndose por tal a la distancia desde su corona hasta su cimentación excluyendo el empotramiento y la pantalla o cortina no estructural. La altura de presa a su vez está ligada a la capacidad total de embalse. Se tiene así:   

Elevación del cauce Elevación de la corona Altura de la presa

: 3921 m.s.n.m. : 3954.8 m.s.n.m. : 33.8 m

b. Bordo Libre o Resguardo El bordo libre es la diferencia de cotas entre el nivel máximo de embalse (NAME) de la coronación.

y

el

Este bordo se fija en función al oleaje debido al viento y

sismos. La altura máxima de olas generadas por movimientos sísmicos, estimada a

10

partir

de

los conocimientos actuales, generalmente resulta menor que la del oleaje producido por vientos fuertes, excepto en casos de resonancia cuya probabilidad es siempre incierta. Por dichos motivos y particularmente en este caso por la extensión del vaso

y

porque topográficamente no es abrigado, es válido estimar el bordo libre suponiendo que la altura máxima del oleaje es la correspondiente al viento. Su valor se determina en función del “fetch efectivo” y de la velocidad y dirección del mismo sobre las aguas del embalse. Los cálculos se realizaron como se muestra a continuación: Figura 4. Cálculo dimensionamiento del bordo libre

11

Fuente:

Elaboración propia. En la Figura 3 se puede observar que el bordo libre según diseño es de 1.90 m.

c. Profundidad de desplante Debido a la característica rocosa del lugar, se ha previsto un desplante de 1.5 m de profundidad. 12

La roca sobre la que se cimentará la presa es del tipo andesítica y sana. Sobre esta se podrá encontrar mayor información en el capítulo de geología del presente estudio a nivel factibilidad. d. Inclinación de Taludes Se consideraron dos taludes de 0.3:1 y 0.55:1, correspondientes al paramento aguas arriba y aguas abajo respectivamente. El primero se obtuvo como un valor mayor del mínimo recomendado y cumpliendo con la estabilidad de la presa; el segundo, el recomendado para presas de este tipo en condiciones de fuerza de subpresión despreciable debido a que el basamento es de roca sana, una característica dada por el lugar donde se cimentará la presa.

Como se

muestra en la figura 5 siguiente.

13

Figura 5. Inclinación de talud

Fuente: Elaboración propia.

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e. Altura de corona La altura interior y exterior de la corona se determinaron de manera que cumplieran con los principios básicos de diseño como la estabilidad de la estructura y su relación de esbeltez, además de la minimización de costos. Así, la altura interior de la corona será de 6.5 m y la exterior, de 1.5 m.

f. Ancho de base El ancho considerado ha sido de 27.5 m, cumpliendo de esta manera con la relación de esbeltez para presas a gravedad de concreto armado, la que se encuentra en el rango de 0.6 y 1. 2.1.6 Análisis de Resistencia a la Falla a. Características Físicas de los Materiales Parámetros de Cálculo La presa almacenará un Volumen Total (VU + VM) = 8.21 MMC, y VU es 7.481 MM3, Pero tendrá una oferta de agua de 11.99 MMC y una demanda de 11.98 MMC (total-volumen para el análisis económico, para el riego de 1189 has), lo se indica que la represa del sistema de riego será un vaso regular. La Construcción represa (Sector Arhata) de concreto armado y sus respectivas obras de arte (aliviadero de demasías y obras de descarga), Construcción de dos Bocatomas con sus respectivos canales de derivación.

b.

Análisis Estático y Pseudo-Estático

El análisis de la Represa Arhata se realizó considerando los factores de seguridad estático y pseudo-estático respectivos para cada tipo posible de falla, como se muestra a continuación:

Cuadro 2. Relación altura volumen del embalse FACTORES DE SEGURIDAD ESTATICO

PSEUDOESTATICO 15

Deslizamiento Volteo Capacidad Portante

1.5 1.3 < .*

1.2 1.1 < *.

* Capacidad isible de la roca (kg/cm2)=900.

Fuente: Elaboración propia.

Las condiciones analizadas fueron las de embalse lleno y vacío, además se consideró la fuerza excepcional sísmica para la cual se utilizó un coeficiente sísmico horizontal de 0.18 g. que fue correlacionado con la Escala Mercalli según el evento extremo histórico, el cual registró una intensidad de VII en el sismo del 2001. Los cálculos realizados se muestran a continuación: Figura 6. Análisis estático y pseudo-estático

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17

18

19

20

Fuente: Elaboración propia.

2.2

OBRAS COMPLEMENTARIAS

2.2.1. BOCATOMA N° 01. Se construirá una captación a 1.3 km aguas abajo del tipo dique que derivará aguas a 400 has de riego; de concreto armado f’c = 210 Kg /cm2 y el cuerpo de concreto f’c = 175 Kg /cm2+70% P.M. para un caudal de derivación de 0.4m3/seg. El cálculo de diseño se realizó como sigue:

Figura7. Diseño de Bocatoma N°01

21

22

Fuente: Elaboración propia.

2.2.2. CANAL DERIVACION N° 01. Se tendrá un a canal de derivación para un caudal de 0.4 m3/seg de 5,850 de longitud. Se utilizara un concreto de Fc=175kg/cm2. Para su diseño se utilizó el programa Hcanales, considerando que el canal es de concreto y tiene tres pendientes distintas a lo largo de su tramo, como se muestra a continuación:

23



Pendiente: 0.30%



Pendiente: 0.28%



Pendiente: 0.20%

24

Toma N°01 Cantera en el mismo eje del dique

2.2.3. BOCATOMA N° 02. Se construirá una captación a 8.7 km aguas abajo del tipo dique para derivar aguas a las localidades más alejadas de la represa, las cuales son un total de 483 has.; de concreto armado f’c = 210 Kg /cm2 y el cuerpo de concreto f’c = 175 Kg /cm2+70% P.M. para un caudal de derivación de 0.485m3/seg. El cálculo de diseño se realizó como sigue: 25

Figura 8. Diseño de Bocatoma N°02

26

Fuente: Elaboración propia.

2.2.4. CANAL DERIVACION N° 02. Se tendrá un a canal de derivación para un caudal de 0.485 m3/seg de 3,790 de longitud. Se utilizara un concreto de Fc=175kg/cm2. Para su diseño se utilizó el programa Hcanales, considerando que el canal es de concreto y tiene cuatro pendientes distintas a lo largo de su tramo, como se muestra a continuación:

27



Pendiente: 0.29%



Pendiente: 0.58%



Pendiente: 1.1%

28



Pendiente: 1.6%

2.2.5. SISTEMA DE DESCARGA La obra de toma se ha proyectado en la parte central de la estructura de la presa, estará en línea recta y en forma perpendicular a la estructura de la 29

presa. Dicha ubicación obedece a la facilidad que representa empalmar el sistema de descarga con la quebrada natural el cual llevara a la zona de riego. El canal de descarga contempla una tubería PVC ISO 1452 clase 5 de 40” de diámetro, escogida bajo criterios de evaluación de la presión a la que será sometida y diseño del caudal de salida requerido para vaciar la presa en su totalidad; y 35.18 m de longitud, el cual tendrá una protección de concreto armado fc=280 kg/cm2.

A la salida, cuanta con un cuarto de

operación de 5.3 m de longitud donde se encuentra la válvula de descarga. Finalmente, la tubería desemboca en la poza disipadora que da lugar al canal de salida. Los detalles gráficos de este sistema se pueden encontrar en la lámina PS-1 del presente estudio. La carga mínima sobre la obra de toma, corresponde a la medida desde el Nivel Mínimo de Embalse (NAMI) al eje del conducto habiéndose tomado en consideración que se hace necesario contar con el almacenamiento, la altura mínima de estancamiento de la presa deberá sobrepasar la altura sobre el fondo de la misma. A continuación se muestran las características geométricas de la presa: Cuadro 3. Características geométricas de la presa. Características Geométricas Descripción Datos finales Observaciones Altura Estructural de la Presa 33.80m Altura de diseño Altura Hidráulica de Presa 30.00m Altura efectiva Altura del Aliviadero 1.90m Alivio Altura de Borde Libre 1.90m Altura de Almacenamiento 30.00m Ancho de Corona 1.50m NAMO 30.00m Efectiva NAME 31.90m Presa más Aliviadero

2.3. OPERACIÓN La operación se definirá para dos situaciones: en funcionamiento normal o regular y en situación de emergencia. En funcionamiento normal o regular se requieren diferentes caudales según el mes, los valores de estos fueron definidos en el anexo hidrología del presente estudio; mientras que la velocidad viene dada por la carga hidráulica en el orificio de salida, por lo que el área será la que se deberá 30

variar para la operación. En el cuadro 4 se puede apreciar la apertura de altura (en cm) que se le dará a la válvula según el mes correspondiente. Cuadro 4. Apertura de la válvula (en cm) para su operación en situación regular. Mes

APERTURA DE VÁLVULA –ALTURA (cm)

Enero

4.00

Febrero

2.00

Marzo

2.00

Abril

5.00

Mayo

5.40

Junio

5.00

Julio

3.00

Agosto

4.60

Septiembre

7.00

Octubre

9.40

Noviembre

13.00

Diciembre

25.00

En situación de emergencia que requiera vaciar la presa en su totalidad se abrirá la válvula completamente. En el mes de marzo la presa se encuentra a su máxima capacidad por lo que el tiempo de vaciado es el mayor, de 4.98 días. El tiempo de vaciado en días se puede apreciar en el cuadro adjunto según el mes correspondiente.

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