criterios hidráulicos diseño captaciones dhe 2013 ig
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diseño hidraulicoTRANSCRIPT
-
Criterios Hidrulicos para el Diseo de Captaciones
Curso Diseo Hidrulico de Estructuras
Jos Luis Garca Vlez
2013-I
1
-
Elementos de una Estructuras de Captacin Lateral
2
a. rea principalb. Obras de gua y derivacinc. Captacin
-
1.
3.
6.
7.
2.
12.
4.
5.9.
10.
11.
1. Azud de derivacin
2. Compuerta de limpieza
3. Reja de entrada
4. Desripiador- Presedimentador
5. Vertedero del desripiador
6. Compuerta del desripiador
Esquema general captacin lateral
ZampeadoDentelln del Azud
Dentelln del
Zampeado
1.
13.
8.
6. Compuerta del desripiador
7. Losa operacin de las compuertas
8. Canal de desfogue
9. Transicin
10. Compuerta de admisin
11. Canal de conduccin
12. Muro de ala
13. Muro de ala
3
-
Modelo Fsico de captacin lateral
4
-
Esquema general captacin lateral
5
-
Esquema general PCH Alto Tulu
vertedero mvil
vertedero fijocanal de aduccin
orificio de captacin
ro Tulu
6
desarenadores
canal de aduccin
tanque de carga
-
Esquema general captacin lateral
7
-
Esquema general captacin lateral
8
-
Es aquella en la cual el ro presenta en su perfil transversal, una alturade agua suficiente como para provocar el paso del agua hacia la obrasin represarla
Ro
Esquema general captacin lateral directa
9
Derivacin
Derivacin
Ro
captaciones en el ro Cauca
-
Derivacin Directa Lateral ro Cauca
RoDerivacin
10
Reja y orificio
de captacin
-
Derivacin Directa Lateral ro Cauca
Proteccin contra
elementos flotantes
11
Mantenimiento
mecnico
-
Criterios de diseo componentes
captacin lateral
12
captacin lateral
-
Esquema planta general captacin lateral
13
-
Esquema planta general captacin lateral PCH Amaime
14
-
15
-
16
-
17
-
18
-
19
-
Criterios de diseo componentes
Canal de aduccin
20
Canal de aduccin
-
Canal de Aduccin PCH Alto Tulu
21
-
Canal de Aduccin PCH Alto Tulu
22
-
Criterios de diseo componentes
Orificio y rejilla
23
Orificio y rejilla
-
,,
Orificio no sumergido
g
VKhR
2
2
0= Sens
tCK f
3
4
=
- Si no existe limpieza de rejillas
- Si existe limpieza de rejillas o
separacin grande entre las barras verticales del enrejado
24
[ ]g
VKHt t
25.0
2
+=
2
45.045.1
=
b
n
b
n
tA
A
A
AK
Orificio sumergido
-
25
-
26
-
Reja de captacin Bocatoma PCH Amaime
27
-
Reja de capitacin Bocatoma PCH Amaime
28
-
Reja de capitacin Bocatoma PCH Amaime
29
Reja gruesa
-
Reja de capitacin Bocatoma PCH Amaime
30
Reja gruesa
-
Reja de capitacin Bocatoma PCH Amaime
31
Reja gruesa
-
Reja de capitacin Bocatoma PCH Alto Tulu
32
Orificio de captacin y Reja
-
Chequeo de vibracin de la reja
33
-
Rastrillo Mantenimiento Manual de la rejilla
34
-
Reja de capitacin Bocatoma ro Guabas
35
Orificio de captacin y Reja
-
Reja de capitacin Bocatoma ro Guabas
desripiador
36
Orificio de
captacin y Reja
Canal de
aduccin
-
Reja de capitacin Bocatoma ro Guabas
Canal de
aduccin
37
desripiador
-
Criterios de diseo componentes
Compuerta de limpieza
38
Compuerta de limpieza
-
Compuerta de limpieza - PCH Alto Tulu
Canal de limpieza
Muro gua o
conductor
39
-
Compuerta de limpieza Erosin del canal PCH Alto Tulu
PCH
40
PCH
-
Compuerta de limpieza y canal de desfogue - PCH Alto Tulu
Canal de limpieza o
desfogue
41
-
Canal y compuerta de limpieza
42
-
Canal y compuerta de limpieza
43
-
Canal y compuerta de limpieza
44
-
Canal y compuerta de limpieza
45
-
Dique Bocatoma, vertedero y compuerta de limpieza PCH ro Amaime
46
Longitud Dique = 30.30 m
Ancho
compuerta
B = 8 m
B = Longitud Dique/10 = 3.30 m
-
Canal y compuerta de limpieza
47
-
48
-
49
-
50
-
Muro gua PCH Alto Tulu
Muro gua o
conductor
51
-
52
-
53
-
54
-
55
-
56
-
Coeficiente de contraccin de chorro Compuertas o orificios sumergidos
Vo
Ho
H
a hcont
h
Vo2/2g
H
a
h
Z0Z1
H2
H0
57
a/H0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
e0.611 0.615 0.618 0.62 0.622 0.625 0.628 0.63 0.638 0.645 0.65
a/H0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1
e0.66 0.675 0.69 0.705 0.72 0.745 0.78 0.835 1
-
58
-
59
-
60
-
61
-
62
-
63
-
Criterios de diseo componentes
Desripiador
64
Desripiador
-
Desripiador
Para el diseo de las obras de captacin en ros, generalmente slo interesan las partculas de
sedimento mayores de 0.1 mm, las cuales han de ser removidas en los desarenadores o controladas enel canal de limpieza y presedimentador, aunque cuando se tengan altos volmenes de arrastre de
materiales finos, es evidente, que se deben tener en consideracin.
65
-
Desripiador
66
-
67
-
Desripiador
68
-
Criterios de diseo componentes
Control de sedimentos
69
Control de sedimentos
-
Exclusor de lodos tipo tnel en el desripiador
70
-
Eyector de sedimentos tipo labe en canal de aduccin
71
-
Eyector de sedimentos tipo vrtice en canal de aduccin
72
-
Descarga Desripiador - PCH Alto Tulu
73
-
Criterios de diseo componentes
Vertedero de excesos en canal de aduccin
74
Vertedero de excesos en canal de aduccin
-
Vertedero de exceso - PCH Amaime
Vertedero de
excedencias
Dique o azud
75
Canal de limpieza
desripiador
Compuerta limpieza
-
Vertedero de exceso - PCH Amaime
Vertedero de
excedencia
Canal de limpieza
76
Canal de aduccin
Vertedero de
excedencia
Canal de limpieza
desripiador
-
Vertedero de exceso - PCH Amaime
Canal de
Vertedero de
excedencia
77
Canal de
limpieza
desripiadorVertedero de
excedenciaCanal de
aduccin
-
Criterios de diseo componentes
Dique o azud
78
Dique o azud
-
Determinacin Nivel de Creciente en el Azud
gPHANE
QH
gA
QH
g
VHHHH
HHH
d
oooaod
ado
2)()(22 22
2
2
22
+=
===
+=
ANE = Ancho del Estanque o Ancho del DiqueQ = Caudal de Creciente para la Avenida de DiseoH0= Carga total sobre la crestaHd= Coeficiente de descarga variableHa= Carga de velocidad de aproximacinP = Umbral o altura Paramento aguas arriba delvertedero
-
a) Determinacin de H0 y C0
Se supone un valor inicial para el clculo del coeficiente de descarga Co1 sin considerar los efectos de correccin.
Se determina la Carga Mxima sobre el vertedero Carga Total sobre la cresta Q=C01(ANE). H03/2
3/2
1
1
=
ANECo
QHo MAX
b) Se recalcula el Coeficiente de Descarga por medio de la Figura Coeficientes de Descarga para las Crestas de Cimacio en Pared Vertical o por las ecuaciones de Gehy (1982) para el Coeficiente
80
las Crestas de Cimacio en Pared Vertical o por las ecuaciones de Gehy (1982) para el Coeficiente de Descarga Co en funcin de la relacin P/Ho, donde P es la altura del paramento de aguas arriba, y Ho la carga Total sobre el vertedero, siendo Ho = He.
-
Co1 ANE Ho1 (1)Ho = (0.75-1.0) Ho1
(**)P/Ho
Co(*)
Si el coeficiente de descarga calculado es igual al supuesto termina el proceso, de lo contrario, se
asume el ltimo valor calculado y se repite el proceso nuevamente hasta que coincidan
Tabla de Clculo
(*) Ecuacin de Gehy o Figura
(**) El cimacio funciona generalmente con cargas diferentes a la de diseo.
Considerando que la Creciente Mxima de Diseo es poco frecuente y de corta duracin, se
81
Considerando que la Creciente Mxima de Diseo es poco frecuente y de corta duracin, se
disea el vertedero generalmente para una carga menor, lo cual incide en la economa del azud.
Se debe procurar no disear para cargas menores al 75% de la correspondiente al caudal mximo,
con el fin de evitar altas presiones negativas sobre la cresta, con los consecuentes daos por
cavitacin.
-
82
-
Se calcula el coeficiente de descarga considerando las siguientes correcciones:
4321 CCCCCC O =
C1 por Efectos del Talud del paramento aguas arriba.
C2 por efecto de Cargas Parciales (He) con relacin a la Carga Total (Ho).
C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique o efecto de lavadero.
83
C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique o efecto de lavadero.
C4 por sumergencia aguas abajo del dique.
-
Se determina el coeficiente de correccin C1 por Efectos del Talud del paramento aguasarriba. Para talud vertical se tiene que C1= 1.0
84
-
Se calcula el coeficiente de correccin C2 por efecto de Cargas Parciales (He) con relacin a
la Carga Total (Ho)
788.0212.0
3/2
2 +
=
o
e
H
HC
-
Se determina el valor de correccin C3 por efecto de elevacin del piso aguas abajo del dique
(efecto de lavadero) del coeficiente de descarga
86
-
Se determina el valor de correccin C4 por sumergencia aguas abajo del dique
87
-
Pasarela sobre el dique o Azud
88
-
89
-
90
-
Calculo Cota de Fondo del Estanque (CFE) Amortiguador del Zampeado
91
-
Disipador salto de esqui
92
-
Si y = 0
93
Si yb = 0
-
3/12
=
g
qYc
ANE
Qq =
94
-
95
-
96
-
97
-
98
-
Calculo Cota de Fondo del Estanque (CFE) Amortiguador del Zampeado
V2/2g
LsLE hf
HoV2cont H
To 2g LE
TP
do
a d cont
Profundidad contrada al pie del azud
Resalto Hidrulico
Hd
99
)(2 dcontTogK
qdcont
=
El coeficiente K de prdidas, se asume as:
K = 0.95 0.85 para azud con compuertas sobre la crestaK = 1 0.9 para azud sin compuertas
-
[ ]2112 8112
Fy
y ++=
++=
3
1
2
12
.
811
2 dg
qyy
Sumergir el resalto y > e + do
100
Sumergir el resalto y2 > e + do
e: Altura en la que se debe profundizar el colchn.
e = k. y2 do por seguridad.
donde k: Coeficiente de seguridad 1.10 1.20
Como cambia T0 se recalcula n de nuevo dcont y y2.
-
H Diente
Z
P y 2 y 3
y 1 V 1 h
x
Figura 23. Diseo colchn de aguas con diente al final del zampeado Ejemplo 2
1
1 1
y . g
V F =
Otra forma para determinar V1
101
Figura 23. Diseo colchn de aguas con diente al final del zampeado Ejemplo 2
USBR recomienda
donde:
V1 = Velocidad en el pie de la presa (m/s)
Z = Altura medida desde el nivel mximo aguas arriba de la estructura hasta el nivel del pozo de amortiguacin (m).
H = Carga hidrulica sobre la cresta (m).
)5.0(21 HZgV =
-
102
-
Dique Bocatoma PCH Amaime
103
-
Dique Bocatoma PCH Alto Tulu
104
-
Dique Bocatoma ro Palo
105
-
Bocatoma ro Palo
106
-
Bocatoma ro Palo
107
-
Bocatoma ro Palo
108
-
Bocatoma ro Palo
109
-
Calculo Perfil del Cimacio tipo Creager
Vertederos Tipo WES - U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station 110
-
Pendiente Paramento (V:H)K n
Vertical 2.000 1.850
3:1 1.936 1.836
3:2 1.939 1.810
3:3 1.873 1.776
YHKX ndn = 1
111
-
112
-
113
-
114
-
Curva Calibracin Q vs Hd
Dique sin colmatacin
Dique colmatado
115
-
Perfil hidrodinmico del azud
116
-
HdXc
HdXc
L 175.0
107.0
=
=
(2)
(3)(4) = CCR
2
CFECCRPT
=
(x5,y5)
2
TPY =5
)H( 2 585.085.1
5 yx d=
),( 5 555 CYXPuntoPCCRCY T =
117
-
Radio de la curva recomendado R3 = 0.7x(CCR CFE)
La tangente a la curva del cimacio en el punto 5 es:
( )
1
1
5
1
5
1
tan
tan
==
=
=
=
=
x
y
x
y
n
n
n
d
n
d
dTan
d
dTan
XteConsdx
dy
XteConsdx
HK
Xyd
dx
dy
)1(36 CosRCFECy +=
[ ]5
656 x
Tan
CyCyx +
=
SenRxx += 367118
-
Dique Bocatoma PCH Amaime
119
-
Dique Bocatoma PCH Amaime
120
-
121
-
Criterios de diseo componentes
Fallas de la cimentacin del azud en
suelos permeables
122
suelos permeables
-
Fallas de la cimentacin del vertedero en suelos permeables
123
Evitar la
tubificacin
-
Dentellones
Y1 = (0.75 0.8) Z
Y2 = (1 1.5) Z
Y3 = 0.3 Z pero no menos de 1.0 m
L1 = hasta 6 Z
L2 = (2-3) Z
La distancia entre dentellones no debe ser menor que
la suma de las longitudes de los mismos 124
-
125
-
Captacin El Voladero Ro Bugalgrande
126
-
Antes Despus
Captacin El Voladero Ro Bugalgrande
127
-
Captacin El Voladero Ro Bugalgrande
128
-
129
-
130
-
131
-
ZCVNL .3
1+=
L = Longitud total de la fundacin de recorrido del aguaN = Longitud de contactos horizontales o que hacen un ngulo
menor de 45 con la horizontal.
V = Longitud de contactos verticales o que hacen un ngulo mayor
de 45 con la horizontal.
C = Coeficiente de Lane que depende del terreno.
Mtodo de Lane (Filtracin Compensada)
Valores del coeficiente C para el mtodo de Lane
Material Lane
Arenas finas y limos 7.0 - 8.5
Arenas comunes 5.0 6.0
Canto rodado, grava y arena 2.5 4.0
Suelos arcillosos 1.6 3.0
132
-
Espesor (t) necesario del Zampeado
1=
Dr
ht
Dr = Densidad realtiva del hormign.
El espesor del zampeado se calcula teniendo en cuenta que su peso debe ser
mayor que la subpresin, para que sta no lo pueda levantar y agrietar
Dr = Densidad realtiva del hormign.
h = Subpresin en el punto considerado.
Se recomienda que el valor mnimo no sea inferior a 30 cm. (tmn 30 cm.)
Tf = t (1.1 a 1.35)
5.05.02.0 Zqt =
Al comienzo del zampeado el espesor debe ser suficiente para resistir el
impacto del agua que baja desde el azud
133
-
Socavacin local aguas abajo de Estructuras Hidrulicas
32.0
90
5.02.075.4
D
qHhDd dSs
=+=
El mtodo ms sencillo usado universalmente es el de Schoklitsch (1932):
ds = Profundidad de socavacin medida desde la superficie del agua (m).
H = Altura desde el gradiente de energa de aguas arriba hasta la superficie de la lamina de agua de aguas abajo (m).
q = Caudal Unitario (m3/s-m).
134
D90 = Tamao del material del lecho del ro correspondiente al 90% ms fino (mm).
hd = d0 = Profundidad de aguas abajo (m).
qH
Ds ds
L
hd= d0
-
Zamarin (1951)
V
qdoy =+4 n RVV 1=
V1 = Velocidad admisible mxima para los materiales que forman el cauce.
R = Radio hidrulico.
n = 2 + R (n mx. = 6) Para cauces de limo, arena, grava.
n = 2.5 + 0.5 R (n mx. = 5) Para cauces de canto rodado.
135
n = 2.5 + 0.5 R (n mx. = 5) Para cauces de canto rodado.
Si y4 R, entonces se debe proteger el cauce despus del zampeado con una capa de piedra
d0
Ds=Y4
L=(1.5-2).ds
ds
-
Rip-rap Aguas abajo del colchn amortiguador
Tamao del material:
g
VDm
2
4.1 2
Dm = Dimetro medio del material con el que se debe proteger el cauce (m).
V = Velocidad en condiciones uniformes aguas abajo (m/s).
= Densidad relativa
= Peso especfico del material (Kg/m3)
= Peso especfico del agua (Kg/m3)
s
136
= S
= Peso especfico del agua (Kg/m )
Peso del material: 3
5.0 ms DW =
-
do ds
da
L= (1.5 a 2) ds
ds = do + da , ds = (1.75 a 2.25) h
3
12
34.1
=q
h DF = 76.1
137
3
34.1
=
BF
qh mB DF = 76.1
Dm = Dimetro medio de las partculas en el lecho del ro (mm).
L = Longitud de la proteccin aguas abajo del colchn (m)
L= (1.5 a 2) ds (m).
-
Bocatoma de Fondo
Desventajas de las obras de toma lateral:
El azud debe estar levantado a cierta altura sobre el fondo del ro para poder captar
agua y como consecuencia son necesarias obras de disipacin de energa que son muy
costosas.
La compuerta de purga tiene una eficiencia baja y siempre algunas piedras quedan
frente a la reja.
138
Si no hay mantenimiento constante y cuidadoso, los sedimentos comienzan a tapar la
reja perjudicando la captacin.
Para tratar de eliminar estos defectos en su funcionamiento, se disean las estructuras
de captacin en el mismo cuerpo del azud, llamadas bocatomas de fondo.
-
Usada en ros de montaa:
Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar a ms del 10%, por lo
cual no requiere de un azud o presa de gran altura.
Crecientes sbitas causadas por lluvias de corta duracin y que llevan una
gran cantidad de piedras.
Bocatoma de Fondo
139
Pequeo contenido de sedimentos finos y agua relativamente limpia en
estiaje.
Grandes variaciones diarias de caudal cuando provienen de nevados.
Para caudales mximos de 10 m3/s
-
Las tomas de rejilla de fondo consisten en:
una rejilla fina de fondo,
ubicada horizontalmente con una pequea inclinacin,
sobre una galera hecha en el cuerpo de la presa y que se conecta con el canal de aduccin.
La presa que cierra el ro se compone de tres partes:
Un tramo en la orilla opuesta del canal que se compone de un azud macizo sobre el cual vierte el agua
de creciente.
Este azud debe tener un perfil hidrodinmico que normalmente se disea con las coordenadas de
Creager.Creager.
El azud funciona como un vertedero de crecidas para el paso del gasto mximo estimado y as evitar
socavaciones del azud de toma.
Un tramo central con la rejilla, el cual funciona como un vertedero central para permitir el trnsito del
gasto medio de la corriente.
Un tramo hueco que tiene en su interior la galera que conduce el agua desde la rejilla al canal.
La galera est tapada con una losa de hormign armado, la cual en su parte superior sigue el mismo
perfil que el azud macizo.
Este tramo se suprime cuando la rejilla est pegada a la orilla.
140
-
Debido a que la rejilla es la parte ms baja de la presa que cierra el ro, el agua pasar forzosamente sobre
ella para cualquier condicin de caudal.
Por esta razn la rejilla puede estar a cualquier altura sobre el fondo, de manera que la altura del azud puede
llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 y 50 cms.
La baja altura del azud permite:
Que las piedras pasen fcilmente por encima del azud.
Disminuir la longitud del zampeado o colchn amortiguador.
Que el costo de esta toma sea bastante menor que el de una toma lateral con dique.
La desventaja principal de una toma de fondo:La desventaja principal de una toma de fondo:
es la facilidad con que se tapa la rejilla,
especialmente si el ro trae material flotante menudo como hierbas y hojas.
A continuacin de la toma se debe construir:
un desripiador eficiente debido a que gran cantidad de arenas y piedras pequeas pasan por la rejilla.
Para que el desripiador tenga una salida al ro con una longitud tcnica y econmicamente viable, la
pendiente mnima debe ser de 3%.
141
-
La rejilla debe ser de:
barras de hierro de seccin rectangular (platina) o
trapezoidal con la base mayor hacia arriba,
colocadas paralelamente a la direccin del ro.
No se aconsejan las barras redondas porque:
se obstruyen ms rpidamente con arena y piedra fina y
son ms difciles de limpiar
Tambin se pueden usar planchas perforadas con orificios redondos en vez de barrotes,
aumentndose considerablemente las dimensiones brutas de las rejillas.
Adems que una desventaja de las platinas es su posibilidad de deformarse o ceder en el sentido
horizontal.horizontal.
Se pueden usar rejillas dobles, una gruesa encima y una fina debajo.
La reja debe ser de fcil limpieza, preferiblemente removible para facilitar las labores de
mantenimiento de la obra.
La rejilla tiene una inclinacin con la horizontal entre 0 y 20 % para facilitar el paso de laspiedras, pero podra llegar a 30 y 40 grados (segn Bouvard).
La separacin entre barras vara de 1 a 10 cm.
La seccin de las barras se escoge en funcin de su longitud y con base en consideraciones
mecnicas para que resistan el peso de piedras grandes y no se doblen.
142
-
Bocatoma de Fondo Ro Cali
143
-
Bocatoma de Fondo Ro Chinchin
144
-
Bocatoma de Fondo Ro Chinchin
145
-
Bocatoma de Fondo Ro Chinchin
146
-
Bocatoma de Fondo Ro Chinchin
147
-
148
Bocatoma de Fondo Ro Chinchin
-
149
-
150
-
Bocatoma de Fondo
151
-
152
-
153
-
154
-
Fy = 2530 kg/cm2 =36000 lb/pulg2
155
-
Diseo:
En la bocatoma de fondo son tantas las variables del chorro parablico al
producirse el vertimiento del flujo sobre el azud, que el diseo est basado en
formulaciones empricas.
No interesa determinar las condiciones exactas del flujo, sino asegurar la
entrada a la galera (tanquilla) del gasto requerido.
Si sta funcin puede cumplirse en forma econmica mediante un mtodo de
diseo simplificado, sin recurrir a experimentos en cada caso, el problema de diseo simplificado, sin recurrir a experimentos en cada caso, el problema de
la complejidad queda resuelto.
Es necesario enfocar la funcin del vertedero no como un instrumento de
precisin, sino como un mtodo relativamente sencillo para captar el gasto
aproximado
156
-
x L.E.
H Ho
Q1
h1
h
Reja h2
Qr Q2
L
Bocatoma con rejilla de fondo. Captacin parcial
Bocatoma de Fondo
157
L.E.
H Ho
Q1 Reja
Qr = Q1
L
Bocatoma con rejilla de fondo. Captacin completa.
-
158
-
159
-
Tipo Mostkov:
Estim que la separacin entre las barras vara entre 2 y 6 cms. Propone la utilizacin de rejillas con barras de seccin rectangular o trapecial con la base mayor hacia arriba, colocadas paralelamente
en la direccin del flujo.
No aconseja las barras redondas por obstruirse ms rpidamente y por la dificultad de limpieza.
160
22
22
22 hgb
Qh
g
VhHo +=+=
Asumiendo un ngulo (pequeo) de la inclinacin de la rejilla respecto a la horizontal.
Realizando un Bernoulli entre secciones 1 y 2, tenemos que
(1)
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b = Ancho de la rejilla en sentido perpendicular al ro.Ho = Constante para flujo con caudal decreciente.
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22
22 hgb
Qh
g
VhHo +=+= (1)
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Diseo de la Galera
Bajo la rejilla existe una galera de toma para colectar el agua
y conducirla a un canal lateral (tanquilla) en donde se hace un
lavado por medio de un desripiador, para luego entregar al
canal de conduccin.
El flujo de agua en sta galera es un caso con caudal variable
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El flujo de agua en sta galera es un caso con caudal variable
en ruta y
Para el cual no existe una solucin exacta.
Sin embargo se tienen dos mtodos de clculo: Zamarn (1954)
y Hinds (1926).
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