Diseño Obras de Captacion y Estación de Bombeo. MEBA

Obra de captación Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento.

Dique Toma Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico. Bocatoma O Captación Lateral Es muy utilizada cuando la fuente de aprovechamiento posee un caudal relativamente grande. El sitio se selecciona donde la estructura quede a una altura conveniente del fondo y, ubicada al final de las curvas, en la orilla exterior, y en lugares protegidos de la erosión o socavación.

Fig. 5 Captación Lateral Captación Lateral Con Recepción De Filtro Dinámico

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Captación Por Vertederos Laterales Un vertedero lateral consiste en una escotadura practicada sobre la cresta de un canal prismático que está orientada en sentido paralelo a la corriente y por encima de la cual fluye el agua cuando se ubica de una manera tal que se permite un gradiente hidráulico en sentido normal a la cresta del vertedero. Experimentalmente se ha encontrado que la capacidad de descarga de un vertedero normal a la dirección de la corriente es mucho mayor que la capacidad de descarga de un vertedero lateral.

Tomas Laterales Estas estructuras hidráulicas son muy frecuentes en los distritos de riego. Se proyectan por lo general para derivar agua de canales principales. La línea de derivación puede hacerse con tubería que atraviese el fondo de la berma del canal. Cuando así ocurre se diseña como un conducto a presión en donde se presentan pérdidas locales y pérdidas por fricción.

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Captación Con Lecho Filtrante Se define como bocatoma de lecho filtrante la estructura de captación de agua para acueductos de bajo caudal, que tiene la capacidad de prefiltrar el influente antes de conducirlo a la línea de aducción del sistema. Esto se logra mediante la utilización de un lecho granular, el cual filtra el agua y la conduce a un sistema de recolección por tuberías perforadas en el fondo del cauce. Estas tuberías perforadas se encuentran generalmente en disposición de espina de pescado o en forma reticular y a junta perdida en ambos casos.

Fig. 6 Captación Con Lecho Filtrante

Captación Sumergida Tipo Dique -Toma Cuando las corrientes de agua de escasos caudal y las secciones transversales del río en el sitio donde se proyecta la bocatoma son de poco ancho (0 a 10 m), es conveniente proyectar un dique con el objeto de garantizar el caudal que se debe captar. Se realiza mediante un represamiento transversal al cauce del río; el área de captación se ubica sobre la cresta del vertedero central y está protegida mediante rejas que permiten el paso del agua. Es recomendable para ríos de poco caudal y gran pendiente. Su construcción en lo posible no debe alterar el perfil longitudinal del cauce del río.

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• Canal de conducción: Es recomendable utilizar en vez de tubería, por la facilidad de limpieza e inspección, mampostería o concreto armado con pendiente que no permita arenamiento ni erosión por los sólidos transportados. • • • •

Planta de tratamiento Línea de conducción Reservorio Línea de aducción y red de distribución

BOCATOMA DE FONDO Es utilizada en ríos pequeños o quebradas donde la profundidad del cauce no es muy grande.

Son estructuras empleadas para captaciones de pequeñas cantidades de agua en ríos, en las cuales la lámina de agua se reduce considerablemente. El objetivo de este tipo de estructuras es que se puedan proyectar de tal forma que se acomode al lecho del río, procurando que en épocas de caudal mínimo el agua pase por la rejilla. El agua captada mediante la rejilla localizada en el fondo del río, se conduce a una caja de donde la tubería sale al desarenador o a la planta de tratamiento. El agua se capta mediante una rejilla colocada en la parte superior de una presa, la cual está orientada en sentido perpendicular al flujo. El ancho de esta presa puede ser igual o menor que el ancho del río.

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Principales elementos de una bocatoma de fondo

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Las partes más importantes de una bocatoma de fondo son las siguientes: Presa Se construye en dirección perpendicular a la corriente de agua normalmente en concreto reforzado; en su cuerpo se encuentra el canal de aducción. Solados o Zampeados superior e inferior Se construyen aguas arriba y aguas abajo de la presa con el fin de evitar procesos erosivos. Normalmente se construyen en concreto reforzado. Muros Laterales Protegen los taludes de la erosión y encauzan el agua; sus dimensiones dependen de los requerimientos estructurales.

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Rejilla Se localiza en la parte superior de la presa sobre el canal de aducción. La longitud de la rejilla puede ser menor que la longitud de la presa de acuerdo con los requerimientos del caudal a captar. Para facilitar las tareas de operación y mantenimiento esta rejilla debe tener un ancho mínimo de 40 centímetros y una longitud mínima de 70 centímetros. Los barrotes o platinas y el marco pueden ser de hierro, con separación entre barrotes de 5 a 10 centímetros y diámetro de los barrotes de 1/2" 3/4" 1 "; las platinas pueden ser de menor espesor Canal de aducción Recibe el agua captada por medio de la rejilla y la entrega a la cámara de recolección. Con el objetivo de proporcionar una velocidad mínima adecuada y segura para la realización de las actividades de mantenimiento la pendiente de fondo de este canal debe tener un valor entre el 1 % y el 4 %. Este canal puede tener sección rectangular o semicircular; la sección semicircular es hidráulicamente más eficiente pero la sección rectangular es de una construcción más sencilla. Cámara de recolección Recibe las aguas del canal de aducción. Normalmente tiene una sección cuadrada o rectangular. En su interior se encuentra el vertedero de excesos que permite retornar al río el exceso de agua captado. En la parte superior de esta cámara se debe dejar una

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tapa de acceso y escaleras “uña de gato” para realizar labores de mantenimieno.

DISEÑO DE LA BOCATOMA DE FONDO Diseño de la presa La presa se diseña como un vertedero rectangular de doble contracción, con la siguiente ecuación: Q= 1.84LH

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Para determinar e! espesor de la lámina de agua para los caudales máximos y mínimos de diseño se despeja el valor de H de la ecuación anterior:

Debido a la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la correspondiente corrección de la longitud de vertimiento, de acuerdo con la siguiente ecuación: L'= L-0.1 nH en donde n es el número de contracciones laterales. La velocidad del agua al pasar sobre la rejilla será de:

Esta velocidad debe ser mayor a 0.3 m/s y menor a 3 m/s 8

Diseño de la rejilla y el canal de aducción Alcance filo superior (m):

Alcance filo inferior (m)

Ancho del canal de aducción (m).

Corte Transversal del Canal de Aducción

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Rejilla Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del flujo, el área neta de la rejilla se determina según la siguiente expresión: Aneta = a B N donde: An= área neta de la rejilla (m²) a = separación entre barrotes (m) N = número de orificios entre barrotes B = Ancho de la rejilla (m) Siendo b el diámetro de cada barrote, la superficie total de rejilla es: Atotal = (a+b) B N La relación entre área neta y área total es:

El área total en función de la longitud de la rejilla es igual a:

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El Caudal a través de la rejilla es igual a: Q =K* Aneta Vb en donde: K = 0.9 para flujo paralelo a la sección Vb = velocidad entre barrotes (máxima de 0.2 m/s)

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Niveles en el Canal de Aducción Asumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal de aducción, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por medio del análisis de cantidad de movimiento en el canal.

Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, se debe cumplir que:

En donde: g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s²) i = Pendiente de fondo del canal ho = Profundidad aguas arriba (m) he = Profundidad aguas abajo (m) hc = Profundidad crítica

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Perfil del Canal de Aducción

Cortes Transversales del Canal de Aducción

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Diseño de la Cámara de Recolección Para determinar las dimensiones de la cámara de recolección se aplican las ecuaciones de un chorro de agua:

La profundidad H de la figura anterior se determina de tal forma que abarque las pérdidas por entrada y fricción de la tubería de conducción entre la bocatoma y el desarenador. 14

Desague del Caudal de Excesos Para la determinación del caudal de excesos se debe considerar que por la rejilla se captará un caudal superior al caudal de diseño, por lo cual se generará una lámina de agua mayor a la de diseño, que se puede determinar utilizando la ecuación de un vertedero rectangular. El caudal que se captará por la rejilla se puede aproximar al caudal por un orificio, con la siguiente ecuación:

en donde: QCaptado = Caudal a través de la rejilla (m³/s) Cd = Coeficiente de descarga = 0.3 Aneta = Area neta de la rejilla (m²) H = Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m) El caudal de excesos corresponde a la diferencia entre el caudal captado a través de la rejilla y e! caudal de diseño. Qexcesos = Qcaptado - Qdiseño Posteriormente se debe ubicar el vertedero de excesos a una distancia adecuada de la pared de la cámara de recolección. Para esto se aplican nuevamente las ecuaciones del alcance de un chorro de agua. El diámetro mínimo de la tubería de excesos es de 6". El diseño de esta tubería debe considerar la pendiente existente entre el fondo de la cámara y el punto de descarga de excesos. Este punto debe estar a 15 cm por encima de! nivel máximo del río. 15

Ejemplo de diseño Tratandose de la captación se debe de diseñar en una sola etapa es decir para 20 años. Población de diseño de 6950 habitantes. Dotación:95 lppd Caudal a captar (CMD): 13 L/s. Según Aforos Caudales del río: Caudal Mínimo (período seco): 50 L/s. Caudal Medio del río = 0.2 m³/s. Caudal Máximo del río = 1 m³/s. Ancho del río: El ancho del río en el lugar de captación es de 1.5 m Diseño de la presa El ancho de la presa se asume de de 1.0 m. El espesor de la lámina de agua para el caudal de diseño es igual a:

La corrección por las dos contracciones laterales se calcula de la siguiente manera L' = L - 0.2H = 1.00 - 0.2 x 0.04 = 0.99 m

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Velocidad del río sobre la presa:

Diseño de la rejilla y el canal de aducción El ancho del canal de aducción será:

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La longitud de la rejilla y el número de orificios se determinan así: Se adoptan barrotes de 1/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5 centímetros y se asume una velocidad entre barrotes igual a 0.10 m/s

Se adopta una longitud de rejilla.0.70 m.

El número de orificios es igual a :

Se adoptan 12 orificios separados 5 cm entre sí, con lo cual se tienen las siguientes

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condiciones finales:

Los niveles de agua en el canal de aducción son: - Aguas abajo

- aguas arriba Lc = Lr + espesor del muro = 0.75 + 0.3 = 1.05 m se adopta i = 3%

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La velocidad del agua al final del canal será:

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Diseño de la Cámara de Recolección

Para facilitar las actividades de mantenimiento, se adopta una cámara cuadrada de recolección de 1.5 m de lado. El borde libre de la cámara es de 15 centímetros, por lo que el fondo de la cámara estará a 75 centímetros por debajo de la cota del fondo del canal de aducción a la entrega (suponiendo una cabeza de 0.60 m que debe ser verificada una vez realizado el diseño de la conducción al desarenador). Cálculo de la altura de los muros de contención Tomando el caudal máximo del río de 1 m3/s, se tiene:

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Dejándole un borde libre de 33 cm, entonces la altura de los muros resulta ser de 1.00 m. Cálculo de cotas Fondo del río en la captación = 100.00 Lámina sobre la presa: Diseño = 100.00 + 0.04 = 100.04 Máxima = 100.00 + 0.67 = 100.67 Promedio = 100.00 + 0.23 = 100.23 Corona de los muros de contención = 100.00 + 1.00 = 101.00 Canal de aducción Fondo aguas arriba = 100.00 -0.21 = 99.79 Fondo aguas abajo = 100.00 -0.24 = 99.76 Lámina aguas arriba = 99.79 + 0.06 = 99.85 Lámina aguas abajo = 99.76 + 0.05 = 99.81 Cámara de recolección Cresta del vertedero de excesos = 99.76 – 0.15 = 99.61 Fondo = 99.61 – 0.60 = 99.01 Se asume pérdidas en la conducción de la bocatoma al desarenador de 60 cm; este valor debe ser verificado posteriormente. Tubería de excesos: Cota de entrada = 99.01 Cota del río en la entrega = 97.65 (de acuerdo con la topografía de la zona) Cota de salida: = 97.65 + 0.30 = 97.95 22

Cálculo del caudal de excesos Este caudal se calcula a partir del caudal medio: Qmedio río = 0.2 m³/s

Tomando un espaciamiento libre de 0.3 m se define que el vertedero de excesos estará colocado a 0.80 m de la pared de la cámara de recolección.

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Cálculo de la tubería de excesos Utilizando la ecuación de Hazen – Williams se tiene que Q= 0.2785*C* D2.63 * S0.54

donde: Q = Caudal (m³/s) D = Diámetro interno de la tubería (m) S = Pérdidas de carga unitaria (gradiente en m/m de conducción) C = Coeficiente de rugosidad de Hazen - Williams Asumiendo que se utilizará tubería de hierro fundido se tiene que C = 100

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Planos del Diseño

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ESTACION DE BOMBEO Cárcamo de bombeo o Pozo de Succión Cuando la instalación impulsora deba colocarse en sitio distinto a un pozo perforado o excavado, debe proveerse un cárcamo de bombeo o pozo húmedo. En su diseño debe considerarse los siguientes criterios: a) La capacidad útil se obtendrá de los caudales para un tiempo de retención dado. Se recomienda un tiempo de retención de 5 minutos. V= Qd*Tr b) El área mínima deberá ser igual a 5 Ds c) La sumergencia mínima, esto es la altura entre el nivel mínimo de agua en el cárcamo y la parte superior del colador o criba, deberá ser igual o superior a los siguientes límites: i) S 2.5 D + 0.10 (Para impedir la entrada de aire) ii) S 2.5 V2/2g+0.20 (Condición hidráulica) Donde: S: Sumergencia mínima [m] D: Diámetro de la tubería de succión [m] V: Velocidad de succión [m/s]

d) La altura mínima recomendable de 0.50 m desde el fondo del pozo a la coladera. El área de la coladera 3 a 4 veces el área de la tubería de succión.

e) La distancia vertical mínima entre la boca de succión y la base del cárcamo será igual a y = ½D. La distancia horizontal mínima de la tubería de succión a la pared lateral del cárcamo será igual a x = ½ D.

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Donde: S: Sumergencia mínima [m] D: Diámetro de la tubería de succión [m] V: Velocidad de succión [m/s] c) El ingreso del agua al cárcamo deberá diseñarse en forma que se eviten turbulencias.

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