6. estructuras de captación

SISTEMAS DE ACUEDUCTOS

Ing. JAIME BARAJAS LEÓN

2015

ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN.6

Una vez estimados los caudales necesarios para

cubrir las necesidades de agua potable de una

comunidad, el siguiente paso es la localización y

selección de los recursos que ofrezcan, no solo dicha

cantidad, sino economía de construcción y

explotación

TIPOS DE CAPTACIONES

SUPERFICIALES SUBTERRÀNEAS

CAPTACIONES SUPERFICIALES

Las captaciones superficiales cada una de las cuales tiene sus

propios problemas asociados y su propia tipología se

clasifican en:

1.Captaciones de agua de lluvia

2. Captaciones de agua en rìos

Captaciones de agua de lluvia

El captar el agua de la lluvia es una “solución” extrema, que tan solo se emplea en aquellos casos justificados por circunstancias especiales. Se aplican casi siempre a edificaciones aisladas, caserios o pequeños pueblos y puede constituir una solución aceptable como reserva de estiaje en las regiones de lluvias escasas y desiguales, resolviendose de esta forma la escasez estacional de otros recursos más facilmente captables.

CAPTACIONES DE RIOS

DE FONDO

LATERALES

FLOTANTES

Pequeña bocatoma de fondo

acueducto1.mpg

acueducto1.mpg

PRESA Y CAPTACIÓN LATERAL

BOCATOMA

LATERAL

Aducción en

canal abierto

CAPTACION LATERAL

RIO PAMPLONITA

LIMPIEZA DE UNA REJILLA

REJILLA LATERAL

MURO ENCAUZADOR

Una rejilla criolla

CAPTACION FLOTANTE

CRITERIOS PARA LA LOCALIZACIÓN DE

CAPTACIONES EN RIOS Y MANANTIALES.

Se debe prever la suficiente diferencia de nivel para conducir el agua por gravedad hasta el sitio de ubicación de las bombas, o hasta el desarenador

Deben estar ubicadas preferentemente en los tramos rectos de los ríos con el fin de evitar erosiones y sedimentaciones o asolves. En el caso de que sea imposible su ubicación en el tramo recto se debe hacer en la orilla externa de la curva en una zona en donde no haya evidencia de erosión por causa del curso del agua.

LOCALIZACIÓN DE CAPTACIONES

Deben ser estables con respecto a la

calidad del suelo de cimentación aún en

el caso de máximas crecientes.

Igualmente deben ser resistentes para el

sismo de diseño correspondiente a la

zona de amenaza sísmica en que se

encuentre el municipio objeto de la

captación ( NSR-98).


Deben estar alejadas de toda fuente de contaminación; se localizarán aguas arriba de regiones habitadas, de descargas de aguas residuales domésticas o industriales.

Deben localizarse en zonas con accesos fáciles que permitan las operaciones de reparación, limpieza y mantenimiento. En caso contrario deben construirse las vías que permitan el acceso adquiriendo servidumbres de paso.


La zona de la bocatoma debe disponer

de los medios de protección y cercado

para evitar la entrada de personas y

animales extraños .

En el caso de que la bocatoma incluya

bombeo debe proveerse la iluminación

adecuada necesaria.

ESTUDIOS PRELIMINARES. Topografía.

Para la ubicación general se debe contar con imágenes satelitales de la zona definida, planos escala 1:25.000 o 1:10.000 del IGAC. Para el diseño Se requieren planos escala 1:1000 mínimo, con curvas de nivel. Esta topografía deberé cubrir, como mínimo, 20 mtsaguas arriba y 20 mts aguas abajo del sitio escogido para la estructura. La poligonal deberá amarrarse a las coordenadas geográficas y las alturas a un BM con cotas absolutas. Deberán dejarse en el terreno, como mínimo, tres referencias (mojones en concreto), con coordenadas y cotas.

Geología y geotecnia.

Se deberán realizar estudios de mecánica de suelos y permeabilidad. Se deberán tener en cuenta el nivel de amenaza

Hidrología.Se deben conocer las características hidrográficas de la

cuenca, datos, estimaciones o informaciones acerca de los niveles de agua máximos y mínimos de la fuente en el sitio escogido para la captación, con las indicaciones de los períodos de retorno más probables. Igualmente se deberá conocer la batimetría del área donde quedará ubicada la captación

CAUDAL DE DISEÑO

Para todos los componentes de una

bocatoma de fondo el caudal de

diseño será igual a 2 veces el caudal

máximo diario.

QD= 2.0 QMaxD

CAPTACION DE FONDO

Muros Canaleta

Vertedero o dique

Rejilla

Càmara

recolecciòn

Salida al desarenador

Vertedero excesos

Desague

Pozo aquietamiento

W

Q

Q2

Qe

1,10 Qmax D

Nivel

máximo

Nivel

mínimo

Bocatoma de fondo

PLANTACORTE B-B

CORTE A-A

CORTE D-D

D

D

A A

B

B

AA

B

B

Bocatoma de fondo

Planta

Cámara de

recolecciónCaudal al

desarenador Vertedero de control

Caudal de Excesos al rio

Rejilla

Muros

Dique

Nivel máximo

Nivel mínimo

Bocatoma de fondo

SECCIÓN TRANSVERSAL

Corte A - A

Bocatoma de fondo

Sección longitudinal

h

Y1

H

Y2

h1

L LpLr

Dentellón

Lecho inicial del rìo

VERTEDERO TIPO WESS

POZO

AMORTIGUADOR

REJILLA

m

m= ancho del canal

de aducciòn = Lr

H min = 0.2m

H min = 0.2m

Tuberìa de

aducciòn

VERTEDERO

EXCESOS

pèrdidas

Nivel mìnimo

Nivel máximo

W = ancho de la garganta

Q del rio

Para el diseño de la rejilla y la sección

transversal se usará el Qmin del rio.

Para el diseño de la sección longitudinal se

usará el Qmax del rio

MUROS.

Los muros se utilizan para:

Servir de soporte a la presa;

Encausar el rio;

Si es el caso, servir como muros de contención;

Deberán tener una longitud tal, que garanticen el

completo encausamiento del rio;

Deberán tener una altura tal que garanticen que el

rio no se desborde.

B=ancho

Lr= Longitud

a= Luz libre entre barras

b= Espesor de la varilla.

n= Número de orificios

Lr

B

Lr

B

REJILLA

Flujo sobre la rejilla ( captación Parcial)

Qe

y1

x

LR

y2

yE

Q1

Q2

DIMENSIONAMIENTO

Muros :Longitud: de acuerdo con la topografía

Altura: Deberán llegar hasta el nivel máximo de

las aguas (H) mas un borde libre

3/2

*84.1

Q

W

màxH

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLAa= Luz libre entre barras


b= Espesor de la varilla.


Lr= Longitud

B=ancho

Las rejillas se consideran de poca inclinación si el ángulo que forman con la

horizontal (Ø) es menor de 20°. En este caso la descarga sobre la rejilla

depende de la carga efectiva sobre ella y si las barras son paralelas, la carga

es prácticamente igual a la Energía específica (E), pues el flujo es vertical y el

agua fluye sin producir choques bruscos contra los bordes.

Lr

B

Lr

B

Flujo sobre la rejilla ( captación Total)

Q

e

LR

EQ1

Q2=0

Qe

Q1

LR

E

Q2=0

E

Q1

LR

Y1

gEACQe 2**

Mostkow: Como la

energía se mantiene

aproximadamente constante

a lo largo de la rejilla (el

caudal que puede entrar por

la rejilla es :

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

Expresión en la cual:

C = Coeficiente de descarga= 0.50 para varillas redondas

paralelas a la corriente.

E = Energía específica en metros.

LR= longitud de la rejilla

gEACQ 2**

RLnaA **


Para el diseño, como resulta obvio se utilizará el Qmin del rio. De esta forma el caudal unitario que circula por la sección transversal es :

Con este valor y el caudal de diseño, se estima el ancho de la rejilla B.

El caudal que llega sobre la rejilla será:

El caudal que continua aguas abajo será

La altura crítica:

W

Qq min1

11 *qBQ r

diseñoQQQ 12

3

2

1

g

qYc

2

3 cmin

YE

Se produce cuando se tiene la Energía específica mínima:

lt/s*m ó m3/s*m


Como Y1 es la altura de la lámina a la entrada de la rejilla y esta se ubica cerca de la cresta del vertedero, donde se produce la altura crítica, Y1 es aproximadamente igual al Yc (Ligeramente menor).

Se puede ahora calcular la relación : y encontrar la relación , utilizando las relaciones

g

VYE

2

2

11 1

11

*YB

QV

r

En donde:

E

Y1

cY

Y1, y encontrar la relación

Y1 / Yc 0.7 0.9

Y1 / E 0.47 0.60


De esta forma se puede comprobar si el valor asumido de Y1 fue correcto.

Comprobado el valor de Y1 se obtiene el valor real de la cabeza de velocidad ( v1

2/2g) y el valor de la energía específica E La ecuación general de flujo a través de la rejilla quedará:

De la cual se obtiene el valor de LR. Por razones constructivas este valor no resulta conveniente tomarlo menor de 0.30 m.

gELnaCQentra R 2***


SECCIÓN TRANSVERSAL

Nivel Mínimo

Nivel máximo

H= 1.2 m

W

Borde libreho

hcriticah2

Nivel medio

Hmìn=0.20

pèrdidas

Se trata de un canal con caudal variable y para efectos de cálculo se hacen las siguientes suposiciones:

La energía del agua proveniente de la rejilla se disipa totalmente por la turbulencia formada, cambios de dirección y fricción en la reja misma.

El agua en su superficie toma la forma de una parábola.

El caudal por unidad de longitud que entra al canal es constante.

El cálculo se hace por cambio en la cantidad de movimiento y se desprecia la fricción.

De esta forma se tiene:

32

2

* mg

Qhc

cc hgV *

chh *1.12

3

*2)

3

*(

2 2

2

3lili

hh

hh c

co

0

0* hm

QV

2

2*hm

QV

En donde: i min= 3%

m= Ancho canaleta >= Lr

hc= Altura crítica

ho= Altura lámina de agua comienzo de la

canaleta.

h2== Altura lámina agua final de la canaleta

Vo=Velocidad al comienzo de la canaleta

V2= Velocidad al final de la canaleta

Vc = Velocidad críticaSe debe agregar borde libre por lo menos de 15 cms.

DIMENSIONAMIENTO DE LA CANALETA DE ADUCCIÓN.

CAMARA DE RECOLECCION.

Para velocidades comprendidas entre 0.30 y 3 m/seg, el ancho mínimo de la cámara (Xs) se puede calcular como:

Como este valor es generalmente pequeño, prevalecen las condiciones de operación que requieren dimensiones apropiadas de la cámara. Téngase en cuenta que en ella debe poder trabajar cómodamente una persona.

74

32

60.036.0 ces hVX

Posición tubería aducción en la cámara recolección.

La tubería deberá colocarse a una profundidad tal, que la cresta del vertedero de excesos quede a una altura determinada de la siguiente forma :

Si la longitud de la aducción bocatoma-desarenador es menor que 500*do ( do= diámetro) el Caudal se calcula como flujo a través de un orificio con la expresión general.

Si la longitud de la aducción bocatoma-desarenador es mayor que 500*do ( do= diámetro) y el flujo es a presión, se calculan las pérdidas por entrada:

Pérdidas por entrada normal= 1.0 V2 / 2g

Pérdidas por energía de velocidad= 1.0 V2 / 2g

Pérdida en la válvula de coladera, o cualquier otro accesorio que se instale.

Si el conducto de aducción funciona a flujo libre se determina la cota de energía en éste y+v2/2g, altura que se debe garantizar en la cámara de recolección

SECCIÓN LONGITUDINAL

Corte A - A

Bocatoma de fondo. Sección longitudinal

h

Y1

H

Y2

h1

Y3

L LpLr

Dentellón

Lecho inicial del rìo

VERTEDERO TIPO WESS

POZO

AMORTIGUADOR

REJILLA

Las dimensiones generales de la presa: W, h y B se

obtienen:

W= ancho de la presa. Se determina de la topografía y de la huella

de la lámina de agua cuando alcanza el nivel máximo.

h=altura de la presa. Depende de la ubicación del desarenador, del

grado de acumulación de sedimentos y de las cotas de inundación.

B= ancho de la rejilla . depende del Caudal Unitario que circule

sobre la presa en aguas mínimas y del caudal de diseño de

depende del nivel máximo que alcance al agua sobre la presa y de

otras consideraciones topográficas.

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN

LONGITUDINAL DE LA PRESA.

Esta se diseña para el caudal máximo del rio (Qmax ) y una

altura de presa h,predeterminada con criterios topográficos

y sedimentológicos. Considerando que el vertedero es

horizontal de pared delgada Expresión en la que H

corresponde a la altura de la lámina de agua y W al ancho

de la garganta.

La velocidad sobre el vertedero será:

32

max )*84.1

(W

QH r

HW

QV r

*

max

W

Qq rmax

El caudal unitario sobre el vertedero será:

El caudal unitario sobre el vertedero

La altura crítica

La velocidad crítica:

La velocidad sobre el vertedero V, deberá ser menor que Vc para tener

flujo subcrítico.

3

2

g

qYc

cc YgV *



Para el aliviadero, es común usar un perfil tipo WES, con la cara frontal

vertical, cuya ecuación para coordenadas X y Y es:

De esta forma la longitud del aliviadero L corresponderá al valor de X

para Y= h

Al final de la presa y comienzo del pozo amortiguador se tendrá una

velocidad V1

YHX **2 85.085.1

)2

(*21HhgV

Y1

Y2 Y3

h1

Lp

Esta velocidad corresponde a una altura

de lámina de agua Y1 El número de Froude será:WV

QY r

*1

max

1

1

1

*Yg

VF



Si consideramos un diente, al final del pozo amortiguador de altura h1 , la relación

h1/Y1, se podrá obtener interpolando entre los valores de la Tabla

La altura máxima de la lámina de agua en el resalto Y2, se puede calcular

mediante la siguiente expresión:

F 1.75 2 3 4 5 6 7 8 9

h1 / Y1 0 0.15 0.69 1.42 2.16 2.92 3.71 4.58 5.54

La altura de la lámina de agua, Y3,

aguas abajo del diente, deberá cumplir

con la condición

3

1

1

1

2

1

2

1

2 11*667.2

Y

h

Y

Y

YY

Yh

F

3

2 123

hYY

Sabiendo además que:

231 YYh 31*5 YhLp



EJEMPLO DE CÁLCULO

DATOS DE ENTRADA.

Qmax diario = 200 lps

QDiseño = 400 lps

Qmin Rio = 2 M3 /seg

Q máximo del rio = 5 M3 /seg

Ancho de la garganta W = 15 M.

Altura de la presa h= 1.50 m

segM

W

Qq

3

133.015

2min

mq

QdiseñoB 3

133.0

400.0El ancho mìnimo de la rejilla serà

Asumimos un valor de 4 metros para el ancho de la rejilla.

EJEMPLO DE CÁLCULO.

segMQ

3

1 532.04*133.0 M

g

qYc 12.0

8.9

133.03

2

3

2

mYE c 18.012.0*5.1*5.1min segmYgV cc /08.112.0*8.9*

Como la altura de lámina Y1 tiene prácticamente el mismo valor que la altura crítica Yc, el valor

de Y1 se puede asumir un poco menor al de Yc.. Asumiremos un valor inicial para Y1= 0.10 m.

segmYB

QV /33.1

10.0*00.4

532.0

* 1

11 m

g

vYE 19.0

8.9*2

33.110.0

2

22

1

526.019.0

10.01 E

Y786.01

cY

YInterpolando de la tabla diapositiva

45, se tiene:


Muy próximo al valor supuesto para Y1 de 0.10 m094.0*786.01 cYY

)1(** nbnaB

orificiosn 73

Si la rejilla se construye con varillas de 1” (b=0.0254 m) y se deja una luz libre

entre varillas (a) de 0.03 m, se obtiene:

Ecuación en la cual n corresponde al número de orificios.

Sustituyendo los valores conocidos, se obtiene:

gELnaCQ Re 2***

Como este valor es muy pequeño, se adopta el mínimo recomendado

LR=0.30 m. Reemplazando este valor en la ecuación anterior se obtiene

un Qe= 0.634 m3/s.

Como Q1=0.532 m3/s, se deduce que todo el caudal entra por la rejilla, de

tal manera que Q2=0

Susutituyendo estos valores en

la anterior ecuaciòn se obtiene

LR= 0.19 m


MTSm

smH 32.0

15*84.1

/5

L*84.1

Q3/2

33/2

m

g

qyc 22.0

81.9

33.03

2

3

2

Diseño del Vertedero:Se diseña para el Qmáx del río = 5.0 m3/s H del dique = 1.50 mts

W = 15 mts

h/H = 1.5 m /0.32 m = 4.68 Si h/H > 1.33 se desprecia la cabeza de velocidad

V=Q/A = 5m3/s /15 m*0.32 m = 1.04 m/s q= 5 m3/s/15m = 0.33 m3/s-m

mg

qyc 22.0

81.9

33.03

2

3

2

smmsmgyV cc /47.122.0*/81.9 2

Como V<Vc el flujo es subcrítico.

La ecuación del aliviadero perfil de WES :

85.1

85.0

85.185.085.1 317.1

32.02**2 X

XyyHX


Longitud de la rápida.

Corresponde al valor de X para Y=h en la ecuación del

perfil.

85.1

85.0

85.185.085.1 317.1

32.02**2 X

XyyHX


Y = h = 1,50 m. X=1,07 m

X 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Y 0 0.018 0.067 0.15 0.24 0.36 0.52 0.68 0.87 1.08 1.31 1.57

Ecuación del perfil tipo WES

x

y smHhgV /7.5)32.0*5.050.1(6.195.0*21

mmm

sm

BV

QY 058.0

15*7.5

/5

*

3

1

1

La velocidad al pie de la presa en el pozo amortiguador

h=1.50 mh=1.5 m

Y1 = altura de la lámina de agua al pie de la presa.56.7058.0*8.9

/7.5

1

1 sm

gy

VF

se calcula el valor de la altura h1/y1=4.2

Tabla diapositiva 57


h’=4.2 * 0.058 =0.24 m, se calcula el valor de y2 mediante la ecuación:

3

11

2

1

2

2 '1'

1*667.2

Y

h

Y

Y

YY

Yh

F

3

2 123

hYY

h1=4.2 * 0.058 =0.24 m. Sse calcula el valor de y2 mediante la ecuación:

=2.66*(7.56)2(1+0.24/y2)= ((y2-0.24)/0.058))3

Obteniéndose y2 = 0.48 m

Se estima el valor de y3 para asegurar las condiciones de producción del resalto

hidráulico y el régimen subcrítico aguas debajo de la estructura:

(2*0.48 +0.24)/3 0.4 m

231 YYh

31*5 YhLp

Se observa que la profundidad y3 oscila entres 0.24 m y 0.48 m

se adopta y3 = 0.4 m

Se calcula la longitud del pozo de amortiguación

= ( 5(0.24 m+0.4m) = 3.2 m


CAPTACION LATERAL

A

A

Desague

Compuerta

Tapa acceso

D= 0.60 mts

PLANTA

Al desarenador

CAPTACION LATERAL

Engineering

6. estructuras de captación