INFORME BOCATOMA

INTRODUCCION El primer punto de flujo de un sistema de agua esta en la fuente, donde el agua se recolecta en una bocatoma y luego se canaliza dentro de la tubería. En este informe se discutirán varios tipos de trabajo de bocatomas, como son bocatomas de manantiales y de riachuelos, represas, protección de fuentes, etc. Debido a la disparidad de una fuente, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente para cada sistema. Sin embargo, los trabajos de bocatoma tienen que incorporar características de diseños estándar que permitan un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y prevención de futura contaminación. Estas características de diseño serán el tema básico de este capitulo. Queda a criterio del diseñador el incorporarlas dentro de su plan para los trabajos de bocatoma. El supervisor de la construcción debe también estar alerta sobre estos principios de manera que pueda hacer modificaciones en el caso que se presenten problemas imprevistos. E l propósito fundamental del trabajo de bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería. Si el agua esta sucia, tendrá que dejársele asentar, relativamente quieta por un periodo de tiempo. El agua deberá estar protegida, lo mas que sea posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y lugareños curiosos). Debe ser construida (la bocatoma) de tal manera que dure lo que dura el sistema. El número de posibles formas de diseño de una bocatoma para una fuente es infinito, influenciado por factores tales como, material disponible, caudal de fuente, nivel de creciente, estabilidad del suelo, topografía de la zona, etc. Este informe presentara varios diseños diferentes, todos los cuales se han usado con éxito en el pasado y por medio de los cuales el diseñador podrá modificar y desarrollar una bocatoma adecuada para su propio sistema.

BOCATOMA Definición: Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir; son utilizadas para un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, acuicultura, enfriamiento de instalaciones industriales, etc. Tradicionalmente las bocatomas se construían, y en muchos sitios se construyen aun, amontonando tierra y piedra en el cauce de un río, para desviar una parte del flujo hacia el canal de derivación. Normalmente estas rudimentarias construcciones debían ser reconstruidas año a año, pues las avenidas las destruían sistemáticamente. El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Perú hay en operación un gran número de obras de toma para aprovechamiento hidráulico. El diseño de estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. Las bocatomas construidas técnicamente constan en general de las siguientes partes: • Vertedero fijo o presa derivadora: El vertedero o presa derivadora es estructuralmente un azud. Es una presa vertedora. Suele llamársele barraje. Su función es la de elevar el nivel del agua para alcanzar el requerido por las necesidades de captación. El azud crea la carga necesaria sobre el canal de derivación para que pueda ingresar el Caudal de Diseño. Es decir, obliga al agua a entrar a la captación. En tal sentido es una presa derivadora, diferente a las presas de almacenamiento. En consecuencia, su altura sobre el lecho del río suele ser pequeña (algunos pocos metros). A su vez el azud debe permitir el paso de las grandes avenidas, específicamente de la Avenida de Diseño, la que como se ha dicho es el máximo caudal del río que puede soportar la estructura. El azud es, hidráulicamente, un vertedero. Se puede construir de los más diversos materiales. • Vertedero móvil o barraje móvil.: Es una estructura compuesta por una o más compuertas que permiten el paso de las avenidas de líquidos y de sólidos y además tiene la función de eliminar los sólidos que pudiesen encontrarse aguas arriba y frente a las ventanas de captación. La longitud total de los vertederos fijo y móvil debe ser la necesaria para el paso de la avenida de

diseño. Su proporción es variable.

• Presa no vertedora: Al igual que los vertederos fijo y móvil es transversal a la corriente principal. Su función es la de cerrar el cauce, sin que el agua pase por encima de ella. Su longitud depende del ancho del río. • Las ventanas de captación: Constituyen la toma propiamente dicha. Se trata de uno o más vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidráulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidráulica que permite el ingreso del agua se origina como consecuencia de la altura de la presa derivadora. • Compuertas de captación: Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivación . Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de captación, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente aguas abajo de las ventanas de captación, podrían estar ubicadas más hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeñas puede tratarse de una sola compuerta. • Pozas disipadoras de energía: Aguas abajo de los barrajes fijo y móvil es necesario disponer algún elemento que ayude a disipar la energía. Generalmente se disipa la energía mediante la formación de un salto hidráulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente aguas abajo, y como transición con el lecho fluvial, se coloca una protección de fondo a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. • Muros guía: Son muros separadores que suelen ubicarse entre los barrajes fijo y móvil y aguas arriba de ellos. Pueden también extenderse hacia aguas abajo, separando ambas pozas disipadoras de energía. • Canal desripiador : Es un pequeño canal paralelo a la corriente principal, ubicado junto a las ventanas de captación y que es normal a la dirección de la corriente que ingresa a la captación. Permite la eliminación de los sólidos cuando las circunstancias hidráulicas y topográficas lo permiten. • Diques de encauzamiento: Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de la presa de derivación, en la medida en la que las circunstancias topográficas lo requieran. Para que una bocatoma sea estable es necesario que lo sea el tramo fluvial en el que está ubicada. De acá que en muchas oportunidades haya que realizar el encauzamiento del tramo de río en las inmediaciones de la obra de toma. Algunas veces los diques de encauzamiento se extienden a lo largo de varios kilómetros. Su costo puede ser importante, pero resultan absolutamente necesarios. Es necesario recordar que al construir una bocatoma se implanta un barraje o presa derivadora, cuya altura generalmente es de unos pocos metros sobre el lecho del río. Esto determina una sobreelevación de niveles hacia agua arriba,

especialmente durante los grandes caudales. Como parte del diseño, además de los trabajos topográficos, se requiere determinar el perfil hidráulico. Si las condiciones topográficas así lo exigen habrá que considerar un encauzamiento.

Clasificación de las Bocatomas: Las podemos clasificar en: A) BOCATOMAS DIRECTAS: son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa, tienen el inconveniente de que el lecho del rio puede variar y dejar la toma sin agua, igualmente en las épocas de estiaje al disminuir el tirante de agua en el rio puede disminuir considerablemente el ingreso de agua en la toma. B) BOCATOMAS CON BARRAJES: son las más empleadas ya que aseguran una alimentación mas regular, conservan un nivel constante en la captación que permite dominar una mayor área regable. Estas tomas pueden presentar tres variantes: La toma con barraje fijo, la toma con barraje móvil y la toma con barraje mixto. - Bocatoma con barraje fijo: Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa solida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación. Esta solución es posible cuando el régimen del rio es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulación, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa. -Bocatoma con barraje móvil: En este tipo de barraje se consigue la retención del caudal y elevación del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de

compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contención. Es conveniente esta solución cuando el caudal de la captación es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio. Como consecuencia el transporte de sólidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas. -Bocatoma con barraje mixto: Tienen una parte de la presa integrada por una estructura solida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje móvil). La parte móvil tiene en ciertos casos muros guías o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado también desempedradores.

Finalidad: La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras de toma. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de toma se clasifican en función de las características del proyecto al que sirven. Es así como se tiene: a) Obras de toma para abastecimiento público b) Obras de toma para irrigación c) Obras de toma para centrales hidroeléctricas d) Obras de toma para industria y minería e) Obras de toma para otros propósitos f) Obras de toma para uso múltiple El abastecimiento de agua a la población es la primera necesidad de agua que debe ser cubierta. El aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un río, constituye una de las formas más antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades se ubicaban en las orillas de los ríos para poder aprovechar sus aguas fácilmente. El crecimiento de la población, la expansión urbana, el aumento de las demandas y otros factores determinaron la necesidad de construir proyectos de abastecimiento de agua para la población. Estos proyectos empiezan por una bocatoma para captar el agua de un río, o de otra fuente de agua, y conducirla luego al área urbana.

Ubicación: Aunque es obvio que el trabajo de bocatoma debe construirse en la fuente, aun así hay cierta flexibilidad cuando se trata de ubicar las verdaderas estructuras. Las captaciones de agua se pueden construir como parte de la estructura total de la bocatoma o se pueden usar como puntos de arranque donde el agua es recolectada y encauzada por tuberías hasta un lugar cercano que sea más apropiado para construir cámaras de reposo, tanques de sedimentación o tanques de recolección.

Lo mas importante de considerar, deben ser los problemas de la estación de crecida del monzón. Las estructuras de la bocatoma se deben ubicar en puntos donde no se vean directamente amenazadas por crecidas de aguas, o indirectamente, por erosiones terráqueas a través de los años. Mediante un cuidadoso interrogatorio a los lugareños se puede obtener una idea correcta de los caudales monzones. Los trabajos de bocatoma no se deben construir en, o cerca de hondonadas, ni en puntos donde se tenga por encima un terreno inestable que puede acarrear un deslizamiento de tierra ni por encima de un terreno pantanoso (polvo blando saturado por aguas subterráneas).

Excavación, cimientos y construcción: La ubicación del tanque tiene que ser marcada con estacas de madera y alambre, y en ella se excavara hasta una profundidad de 30 cm (sino se encuentra antes roca solida) y hay que nivelar el suelo de l a excavación. Para la bocatoma de un manantial, el caudal tiene que ser apartado de la excavación, para mantenerla lo más seca que sea posible. La excavación de las paredes de una captación deberá ser lo suficientemente profunda para cortar la filtración del manantial que pueda haber en el subsuelo (se discutirá en l a próxima sección). El suelo de la excavación tiene que ser solido y firme. En el fondo se debe poner una capa de concreto de 10 cm y compactarla para asegurar su correcta consolidación. El mortero de cemento se coloca directamente sobre el concreto y la cimentacion de albañilería se coloca directamente sobre el mortero. Esta cimentación deberá ser 10cm mas ancha que la pared de cada lado y la pared tiene que tener no menos de 30cm de ancho. La altura de la cimentación será de 10cm. El mortero de cemento será de 1:4 de relación cemento: arena. La figura ilustra la sección transversal de una pared de bocatoma.

Captación del agua: Este es el componente donde se captura el agua de la fuente. En la bocatoma de un manantial, las paredes que circundan a la fuente son típicamente de tipo impermeable. Para la bocatoma de un riachuelo, esta (la captación) es típicamente una pequeña poza de agua con un tubo bocatoma en el fondo o un canal de superficie el cual transporta el agua hasta el tanque de sedimentación. En aquellos lugares donde se construyen paredes impermeables que sirvan para contener el flujo que proviene de un manantial a través del suelo, estas paredes deberán penetrar lo mas que sea posible dentro del terreno para cortar el flujo de filtración que esta por debajo de la bocatoma. A pesar que será imposible mantener secas estas zanjas de cimentación, es posible verter una mezcla de concreto bastante seca dentro de las zanjas. En tanto el concreto se vea contenido por los parámetros del terreno o por encofrados de madera, no podrá ser fisicarnente lavado y fraguara correctamente. Una vez que el concreto se haya inmovilizado y endurecido ligeramente, se puede construir sobre el la pared normal de albañilería.

Para la bocatoma de un arroyo o riachuelo, donde la profundidad del punto de bocatoma es menor que 40cm es necesario crear un cuenco de agua, la cual estará relativamente quieta, y por consiguiente, permitirá el asentamiento de partículas mas pesadas que están en suspensión (como arena, hojas, etc.). El tubo de una bocatoma se puede ubicar en el fondo de la poza (protegido como se ilustra en la fi- gura 11-3). Este tipo de bocatoma tendrá 40 cm de profundidad de agua para impedir l a interferencia de manos humanas y de animales, y para protegerla de los escombros flotantes. Un diseño alterno para este tipo de cuenco es excavar un canal desde el hasta el tanque de asentamiento. Este canal de superficie, salvo cuando se trata de suelos extremadamente arenososo o porosos, no tiene que ser de albañilería y es por tanto, menos costoso de construir.

Tamizado: Las partículas en suspensión en el agua conducen al desgaste y rotura del tubo PAD; de manera que lo deseable es eliminar estas partículas hasta donde sea posible. Con el tamizado se retira una buena cantidad de estas partículas y la sedimentación elimina la mayor parte restante.

Deben existir por lo menos dos puntos de tamizado en el sistema, un filtro grueso para eliminar los escombros mas grandes flotantes y en suspensión y sobre el extremo del tubo, en la bocatoma, un tamizado con malla fina. El tamizado grueso se puede hacer por medio de una pared de albañilería de piedra seca, como se ilustra en la figura 11-4. Esto es so lo una sección de la pared de albañilería en la que se ponen juntos rocas y ladrillos muy juntos unos con otros pero sin ningún mortero de cemento. Esta sección de pared se puede desmantelar fácilment e para propósitos de limpieza y mantenimiento, y luego también se reconstruye con facilidad. La bocatoma con tamiz de la tubería deberá tener una malla de trama bastante pequeña (una buena medida usualmente disponible en las tiendas es 20 tramas por pulgada) hecha de alambrado de latón si fuera posible.

Sedimentación: La sedimentación es el proceso por el cual el agua es mantenida relativamente quieta y sin disturbios por varias horas. Las partículas suspendidas finas se separan del agua y se asientan. Ya que l a principal fuente de turbulencia en el agua es l a velocidad del caudal, tenemos que cuanto mas lento pase el caudal a través de la cámara de sedimentación, más efectivo será el proceso de sedimentación. La medida (capacidad) de que haya o no haya la cámara depende del tipo de fuente, el caudal, etc. Los requerimientos de sedimentación pueden ser nada más que una pequeña cámara en la estructura de la bocatoma o un gran tanque separador

Fuentes de Manantiales:

Estas son comúnmente mas limpias y generalmente este tipo de sistema requerirá de un tanque reservorio. Una sedimentación tan intensiva no es usualmente necesaria. (a menos que sea una fuente algo sucia o no haya reservorio). Es generalmente suficiente una cámara con un filtro de albañilería de piedra seca y una bocatoma con tamiz.

Fuentes de Riachuelos con reservorios:

Debería ser construido un tanque de sedimentación separador con un periodo de retención de 15 minutos. Fuentes de Riachuelos sin reservorios: También requieren de un tanque de sedimentación separador con un periodo de retención no menor de 60 minutos.

Tubos de servicio: Hay tres diferentes tubos de servicio en una estructura de bocatoma: tubos de limpieza, reboses y embocaduras (salidas).

Tubos de limpieza: Permite el drenaje de la bocatoma de manera que se pueden sacar los sedimentos arraigados, sin perjuicio de ejecutarse el trabajo de mantenimiento. El calibre del tubo FG de limpieza debería ser de 2" o 3". Los tubos de limpieza deben ser colocados ligeramente dentro del fondo de la cámara y se pueden cerrar con una capsula terminal. Los tubos de limpieza no deberían situar- se dentro de paredes de albañilería de menos de 30 cm de ancho (para asegurar suficiente fuerza de adherencia, de manera que se pueda usar una

llave inglesa para retirar la capsula terminal). Cada cámara separada y el recipiente de captación deben tener su propio tubo de limpieza. La descarga de los tubos de limpieza deberá transportarse a otro lugar (por un canal de desagüe superficial) de manera que no cause erosión en la cimentación de la bocatoma.

Reboses: Permiten que el exceso de agua sea desviado de manera segura fuera del tanque sin causar erosión. El tamaño del rebose se debe seleccionar de manera que pueda pasar la creciente máxima del flujo durante la estación de lluvias. El rebose típico para tanques pequeños es un pequeño tramo de tubo FG colocado dentro de la pared del tanque. La figura 11-5 muestra este arreglo y da algunos caudales máximos que puede manejar cada tubo de acuerdo a su medida, con inclinación de 5 cm y 10 cm y si un solo tubo no es suficiente, se puede usar cualquier número de tubos. El agua de rebose se debe evacuar de la misma manera que el caudal del tubo de limpieza.

Salidas: El tubo de la salida es el punto de inicio de la tubería. El diámetro de la salida se puede determinar usando la información que se da en un apéndice, pero no debe ser más pequeño que el calibre de tubo PAD de acuerdo al diseño en ese punto. El extremo del tubo deberá tener una bocatoma con tamiz. Se necesita una válvula de compuerta con un tubo de aireación ubicada justo aguas abajo. Las figuras muestran el arreglo del tubo de una salida de tanque típica.

Válvulas de control y ventiladores: Válvulas de compuerta: se instalaran en cada tubo de salida de manera que sea posible su drenaje para propósitos de mantenimiento. Válvula de globo: No son necesarias cuando se va a usar el flujo total de la fuente. Una válvula de globo se necesita solamente cuando solo se va a usar una porción del caudal de la fuente (caso que usualmente sucede con una bocatoma de riachuelo). Esta válvula solamente permite el caudal de diseño dentro de la tubería y fuerza al exceso de agua retorne a l a fuente y rebose. Esta válvula se deberá ubicar en el punto de descarga del primer tanque de aguas abajo o en un punto donde, en caso que sea cerrada accidentalmente, no ocasione excesiva de presión repentina en el tubo PAD. Tubos de aireación: van ubicados justo aguas abajo de una válvula de compuerta. Estas sirven para permitir que el aire escape de la tubería a través de la bocatoma

sin burbujear ni interferir con el flujo. Estas también permiten que llegue aire dentro de la tubería cada vez que la válvula de compuerta que queda aguas arriba se cierre, de manera que la tubería drene (evitando que, el agua drenada provoque una succión en la tubería, lo cual puede atraer el agua contaminada del suelo a través de los intersticios; una ventilación permite que el aire sea jalado hacia su interior). La ventilación puede ser o un tubo FG de media pulgada o un tubo PAD de 20mrn. La boca de ventilación deberá estar a mayor altura que el nivel de rebose del tanque. El extremo de la ventilación se debe dirigir hacia abajo (para evitar que el polvo y la suciedad se asienten dentro de ella y debe tener un tamiz (para evitar que se metan los insectos).

Techado: El techado en las estructuras de la bocatoma debe ser lo suficientemente seguro para prevenir que la gente curiosa interfiera y deberá sellar la fuente contra cualquier otra contaminación que provenga de la superficie, escorrentía de lluvia, animales de pastoreo, hojas, etc. Se requieren accesos para poder limpiar la bocatoma y ejecutar trabajos de reparación; habrá una abertura que permita el paso de un hombre y esta será no menor de 60 x 60 cm2. Los esquemas de techado más comunes son:

Techado de pizarra: Puede ser construido por los mismos pobladores, si en la localidad hay pizarra disponible. Se necesita buena cantidad de madera para las vigas y viguetas. Techado de calamina: Son planchas de acero galvanizado corrugado, tamaño nominal 3' x 10’, medida efectiva 70 cm, x 320 cm. Techado de losas de concreto: Puede ser o de concreto armado (CA) o de ladrillo reforzado (LA). Estos son los techos ideales porque son los que sellan totalmente la bocatoma y duran el lapso de vida del sistema. Sin embargo, estos techos requieren materiales y costos adicionales.

Problemas Especiales que Presentan las Bocatomas: En los grandes aprovechamientos hidráulicos el costo de la bocatoma representa sólo un porcentaje muy pequeño del costo total del proyecto. La consecuencia práctica de este hecho es que no se debe escatimar esfuerzos ni tratar de obtener una “estructura económica”, sino que se debe buscar el máximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un río transporta lo siguiente: a) Agua proveniente de la precipitación que ocurre en la cuenca b) Sólidos, también llamados sedimentos, provenientes de la erosión de la cuenca c) Hielo, en los lugares que existe, y d) Cuerpos extraños como árboles, plantas, basura y desperdicios.

Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un río. El transporte de cuerpos extraños constituye una función no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre nosotros. En general, el diseño y operación de una bocatoma en muchos de los ríos de la costa peruana presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias: a) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas. b) Insuficiente información hidrológica. c) Gran transporte sólido y de cuerpos extraños. d) Aparición eventual del Fenómeno de El Niño (FEN).

Medidas de Protección: Es importante que, una vez que el agua ha sido recolectada, tiene que ser protegida contra contaminación exterior. Por tal razón, deberán tomar medidas que sellen el sistema, lo más que sea posible, del ambiente externo. No hay que permitir que la escorrentía superficial de lluvia fluya dentro de la captación de manantial; por consiguiente, las estructuras de la bocatoma deberán estar como mínimo 30 cm sobre el nivel del terreno. Toda la tierra tiene que ser amontonada contra las paredes del tanque para poder así desviar el agua y la fuente debe tener una acequia excavada alrededor para drenar su parte alta. El canal tiene que ser profundo y puede alinearse con albañilería de piedra seca. Cada ano, particularmente, justo antes de la época de los monzones, hay que limpiar los escombros acumulados. La captación de una fuente de manantial se puede techar por encima con losas de concreto y enterrarla luego, para protección exterior. En caso de ser necesario y para estabilizar la tierra alrededor de los trabajos de bocatoma, se pueden construir paredes de retención de cestones o de mampostería de piedra seca, especialmente si se prevee que l a erosión va a ser un problema mayor para el lapso de vida del sistema. Una reforestación y el sembrado de pasto y arbustos directamente encima de la fuente de manantial ayudara para mantener el caudal proveniente de la fuente (la vegetación permite que el agua de superficie sea absorbida por el terreno en lugar de desaparecer súbitamente como escorrentía de superficie. Esta agua puede ayudar al rendimiento de la fuente). La figura 11-7 muestra una protección adecuada para la captación de un manantial.

ANEXOS: