DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACIONELABORADO POR:

Manuel García Naranjo B.

DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACION

Elaborado por:

Manuel García-Naranjo B.

Agosto 2015

OBRAS DE CAPTACION

Las obras de captación tienen por finalidad derivar de un curso natural o de un embalse el caudal demandado por un determinado aprovechamiento hidráulico.

En general, una obra de captación no tiene como finalidad eliminar el material transportado, sea éste de arrastre o en suspensión; sin embargo, se adopta medidas para limitar el ingreso de sólidos y eliminar el material flotante.

OBRAS DE CAPTACION

CLASIFICACIONLas obras de captación se clasifican como sigue:

• Captaciones de cursos:– Bocatoma fluvial o toma convencional (con

barraje o sin barraje)– Toma de fondo (tirolesa, alpina, caucasiana)

• Captaciones de embalse:– Por torre (seca o mojada)– Por galería (desde el vaso; a través de la

presa)

OBRAS DE CAPTACION

Las bocatomas fluviales pueden ser:• Con toma directa:

se capta directamente mediante un canal lateral.Ventaja: no requiere construir un barraje o azud, que por lo general constituye una de las partes de mayor costo.Desventajas: puede ser obstruida fácilmente en época de crecidas; permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

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• Toma mixta o convencional:se realiza la captación mediante el cierre del río con una estructura llamada barraje, azud o presa de derivación. Se denomina barraje fijo cuando se trata de una estructura rígida de concreto. Será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera.La captación se efectúa por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero, dependiendo del tirante del río.

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• Toma móvil:aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil. Son tomas que por la marcada variación de niveles entre la época de estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota o nivel adecuado. Su principal ventaja radica en el hecho que permiten el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje.

OBRAS DE CAPTACION

PARTES DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL:

• Ventana de captación• Canal de limpia• Barraje (fijo, móvil o mixto)• Trampa para material de fondo y rejilla para

material flotante• Disipador de energía• Aliviadero de demasías• Muros de encauzamiento• Desripiador y canal de purga• Enrocado para evitar erosión aguas abajo• Compuertas para operación de purga y captación

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Toma Tirolesa o CaucasianaSon tomas cuya estructura de captación se encuentra dentro de la sección delazud (barraje). El ingreso se encuentra protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas usualmente se emplean en torrentes o quebradas, para captar caudales con un máximo de 5 m3/s. No son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar la rápida obstrucción de la rejilla.

BOCATOMA FLUVIAL

UBICACIÓN• La captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentos puedan ser arrastrados por el flujo del río. El ingreso de sedimentos al canal de derivación debe ser lo mínimo posible.

• En tramos curvos, la captación debe ubicarse en la parte externa, donde hay menor presencia de sedimentos.

BOCATOMA FLUVIAL

• En tramos rectos de un río, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba del eje del barraje de derivación, formando un ángulo entre 60° y 90°. Asimismo, se recomienda que el eje de la toma forme un ángulo de 20° a 30° con respecto al eje del río.

BOCATOMA FLUVIAL

CONDICIONES DE DISEÑO:• Garantizar derivación permanente del caudal de

diseño• Proveer un sistema para permitir el paso de las

avenidas, que acarrean material sólido y flotante

• Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación

• Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista constructivo

• Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentaciones.

BOCATOMA FLUVIAL

LEVANTAMIENTOS TOPOGRAFICOS

El levantamiento topográfico del río (planta y perfil longitudinal) debe comprender de 1 km aguas arriba hasta 500 m aguas abajo del eje de captación, para conocer con mayor aproximación la pendiente geométrica del cauce. Se determinará secciones transversales cada 20 m.

BOCATOMA FLUVIAL

CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DEL RIO

Es importante tomar en consideración lo siguiente:

• Caudales de avenidas

• Taludes de las márgenes del río

• Coeficiente de rugosidad del cauce del río (según Cowan)

BOCATOMA FLUVIAL

• CAUDALES DE AVENIDAS

La estimación de las descargas extremas es importante para diseñar las obras de excedencia; establecer la altura de los muros de encauzamiento; estimar la máxima tasa de aporte de sólidos que pudiera presentarse en la zona de la toma. Las distribuciones probabilísticas más usadas (Gumbel, Log Pearson tipo III, Normal, Log Normal) sirven para esta estimación de Qmax.

BOCATOMA FLUVIAL

• TALUD DE LAS MARGENES DEL RIO (H:V)

• Conglomerado 1:1• Suelos arcilosos 1:1• Suelos areno-limosos 1.5:1• Suelos arenosos 2:1• Suelos arenosos sueltos3:1• Roca alterada suelta 0.5:1• Roca sana 0.25:1

BOCATOMA FLUVIAL

• COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (según Cowan)n = (n0+n1+n2+n3+n4).n5

Donde:no – función del materialn1 – función del grado de irregularidadn2 – función de las variaciones de la sección transversal del canaln3 – dependiente del efecto relativo de las obstruccionesn4 – función de la vegetaciónn5 – dependiente de la cantidad de meandros

BOCATOMA FLUVIAL

EL BARRAJEEs una estructura que se levanta en el lecho de un río con la finalidad de tener control sobre el nivel del agua en la zona inmediatamente anterior a la ventana de captación. Por otro lado, propicia una disminución de la velocidad del flujo, limitando con ello posibles problemas de erosión de las obras hidráulicas asociadas a la toma. Debe también permitir la descarga de excedencias por encima de su cresta.

BOCATOMA FLUVIAL

La forma de la cresta del barraje debe ser tal que no se desarrolle presiones negativas que podrían generar cavitación y causar daños al concreto.

Es recomendable aplicar la fórmula del WES (U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station) para el dimensionamiento preliminar, pero brindar en la práctica mayor robustez, para evitar daños por erosión del río.

BOCATOMA

• Dimensionamiento de la ventana de toma:– Velocidad de captación: 1 m/s– Relación longitud vs altura: 3 a 4

• Altura del barraje:P = h0 + h + 0.20

• Carga sobre la cresta del barraje:A partir de:

• Altura de muro de encauzamiento:Htotal = P + H + f

2/3

d H.L.C.g23

2Q

BOCATOMA TIROLESA

Los ríos de montaña o torrentes tienen las siguientes características:

• Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar al 10% o a veces más.

• Crecientes súbitas causadas por aguaceros de corta duración y que llevan gran cantidad de piedras.

• Grandes variaciones diarias de caudal cuando provienen de nevados.

• Pequeño contenido de sedimentos finos y agua relativamente limpia en estiaje.

BOCATOMA TIROLESAEn estos casos, el empleo de tomas convencionales presentan las siguientes desventajas:

• El barraje debe estar levantado a cierta altura sobre el fondo del río para poder captar el agua; como consecuencia, son necesarias obras costosas de disipación de energía.

• La compuerta de purga tiene una eficiencia baja y siempre algunas piedras quedan frente a la reja. Si no hay un mantenimiento constante y cuidadoso, los sedimentos comienzan a tapar la reja con los consiguientes perjuicios para la captación.

BOCATOMA TIROLESA

Para subsanar estas limitaciones se plantea el empleo de la llamada toma tirolesa o caucasiana. Esta consiste de una rejilla ubicada horizontalmente o con pequeña inclinación en el fondo del cauce, sobre una galería dispuesta en el cuerpo del barraje y que conecta con el canal. Este tipo de toma solamente es práctico en torrentes o ríos de montaña y no se le ha utilizado para caudales mayores a 10 m3/s.

BOCATOMA TIROLESA

Los principales elementos de una toma caucasiana son los siguientes:

• Una presa (o barraje) que cierra el río

• Un disipador de energía aguas abajo del barraje

• Una rejilla de toma, con las barras orientadas en la dirección del flujo.

• Un canal de limpieza o purga, cuya pendiente es de 8% a 10%

• Organos de regulación

BOCATOMA TIROLESA

La presa de cierre se compone de las siguientes partes:

• Un tramo en la orilla opuesta del curso que consta de un barraje fijo sobre el cual se vierte el agua en creciente. Este barraje debe tener un perfil hidrodinámico que normalmente se diseña con las coordenadas de Creager.

• Un tramo central con la rejilla.

BOCATOMA TIROLESA

• Un tramo hueco que tiene en su interior la galería que conduce el agua desde la rejilla al canal. La galería está tapada con una losa de concreto armado, que en su parte superior sigue el mismo perfil que el del barraje fijo. Cuando la rejilla está pegada a la orilla, este tramo se suprime.

BOCATOMA TIROLESA

A continuación de la presa de cierre se construye un disipador de energía cuyas dimensiones dependen de la altura de ésta y del caudal durante crecientes.

BOCATOMA TIROLESA

Como la rejilla es la parte más baja de la presa de cierre, cualquiera que sea el caudal, el agua pasará forzosamente sobre ella. La rejilla normalmente se sitúa una altura comprendida entre 20 cm y 50 cm sobre el lecho del río. Esto permite que las piedras pasen fácilmente por encima del barraje con lo cual se suprime la costosa compuerta de purga. La baja altura del barraje permite a su vez disminuir la longitud del disipador. Estas dos economías hacen que el costo de una toma caucasiana llegue a ser bastante menor que el de una toma convencional.

BOCATOMA TIROLESA

La desventaja principal de este sistema radica en la facilidad con que se tapa la rejilla, especialmente si el río trae material flotante menudo como hojas y hierbas.

En vista de que una gran cantidad de arenas y piedras pequeñas entran por la rejilla, es imprescindible construir un desripiador eficiente a continuación de la toma.

Para que el desripiador tenga una salida al río con una longitud dentro de límites económicos, éste debe tener una gradiente de por lo menos 3%.

BOCATOMA TIROLESALa rejilla se hace de barras de hierro de sección rectangular o trapezoidal (pletina) con la base mayor hacia arriba, colocadas paralelamente a la dirección del río. No se aconsejan las barras redondas pues se obstruyen más rápidamente con arena y piedra fina y son más difíciles de limpiar.Una desventaja de las pletinas es su posibilidad de deformarse o ceder en el sentido horizontal. Para evitar esto, se usan a veces barras en forma de T. En los bordes, las barras están sujetas a un marco de hierro.

BOCATOMA TIROLESA

La separación entre las barras varía de 2 a 6 cm. La sección de las barras se escoge en función de su longitud y en base de consideraciones mecánicas, es decir, que puedan resistir sin doblarse el peso de las piedras grandes.

La rejilla tiene una inclinación con la horizontal entre 0% y 20% para facilitar el paso de las piedras; pero, según Bouvard, se podría llegar a 30% o hasta 40%.

BOCATOMA TIROLESA

• Cálculo de la Rejilla:Para una rejilla con las características indicadas:

intervienen en el cálculo los siguientes coeficientes:

s t

e

BOCATOMA TIROLESA

K: Coeficiente que reduce el área total en área efectiva disponible. Está dado por:

donde:

f - porcentaje de la superficie que queda obstruida por las arenas y gravas que se incrustan entre las rejas. Se toma entre 10% y 30%

s - espaciamiento entre barrotes

t - ancho de cada barrote

ts

s)f1(K

BOCATOMA TIROLESA

C: Coeficiente de contracción que varía en función de las disposición de los hierros de la rejilla. Su valor depende de la inclinación de la rejilla con la horizontal y está dado por:

C = Co – 0.325 i

donde:

i - inclinación de la rejilla

Co = 0.6 para e/s > 4 ;

Co = 0.5 para e/s < 4

BOCATOMA TIROLESA

La expresión del caudal a través de la rejilla es:

2/32/3 L*b*)ck(*20.3Q

BOCATOMA TIROLESA

Cálculo de la Galería:

El flujo de agua en la galería que queda bajo la rejilla es un caso de flujo variado espacialmente, para el cual no existe una solución exacta. Para su análisis se dispone de los métodos de:

• Zamarín

• Hinds

BOCATOMA TIROLESA

Método de Zamarín:El cálculo se efectúa de la siguiente forma:

• La longitud total “b” de la galería se divide en partes iguales x y el caudal en cada sección se determina con la fórmula:

Qx = (Q/b) x siendo x la distancia desde el comienzo de la galería.

BOCATOMA TIROLESA

• Para tener la seguridad que todas las piedras y arenas que han pasado por la rejilla sean arrastradas hacia el decantador o desripiador, la velocidad media en la galería debe ser alta ( ).

• Debe tenerse una velocidad inicial Vo = 1 m/s al comienzo de la galería y una velocidad final Vf = 2 a 3 m/s al término de la misma. La velocidad a lo largo de la galería se considera que se incrementa linealmente.

gs3V

BOCATOMA TIROLESA

• La relación entre el caudal y la velocidad proporciona el área y por lo tanto el tirante de agua necesario en cada sección de la galería.

• Se asume que toda la energía del agua que cae a través de la rejilla se disipa en la mezcla turbulenta con el agua que se encuentra en la galería. Así, el flujo se produce debido solamente al gradiente hidráulico en la galería.

BOCATOMA TIROLESA

• El gradiente hidráulico (I) se obtiene a partir de la fórmula de Chezy o Manning.

• De emplearse la fórmula de Manning, el valor del coeficiente “n” que se adopta es alto (0.035 a 0.045), para tomar en cuenta las pérdidas adicionales que se producen por el flujo espiral y altamente turbulento en la galería.

• Las cotas del fondo de la galería se obtienen de la ecuación de energía.