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8/2/2019 35ObrasDeToma

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Comisin Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

OBRAS DE TOMA

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

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ADVERTENCIA

Se autoriza la reproduccin sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la

fuente.

Esta publicacin forma parte de los productos generados por la Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje ySaneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la ComisinNacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.

Edicin 2007ISBN: 978-968-817-880-5

Autor: Comisin Nacional del AguaInsurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El BajoC.P. 04340, Coyoacn, Mxico, D.F.Tel. (55) 5174-4000www.cna.gob.mx

Editor: Secretara de Medio Ambiente y Recursos NaturalesBoulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaa,C.P 14210, Tlalpan, Mxico, D.F.

Impreso en MxicoDistribucin gratuita. Prohibida su venta.

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Comisin Nacional del Agua

Ing. Jos Luis Luege TamargoDirector General

Ing. Marco Antonio Velzquez HolgunCoordinador de Asesores de la Direccin GeneralIng. Ral Alberto Navarro GarzaSubdirector General de AdministracinLic. Roberto Anaya MorenoSubdirector General de Administracin del AguaIng. Jos Ramn Ardavn ItuarteSubdirector General de Agua Potable, Drenaje y SaneamientoIng. Sergio Soto PrianteSubdirector General de Infraestructura HidroagrcolaLic. Jess Becerra Pedrote

Subdirector General JurdicoIng. Jos Antonio Rodrguez TiradoSubdirector General de ProgramacinDr. Felipe Ignacio Arregun CortsSubdirector General TcnicoLic. Ren Francisco Bolio HalloranCoordinador General de Atencin de Emergencias y Consejos de CuencaM.C.C. Heidi Storsberg MontesCoordinadora General de Atencin Institucional, Comunicacin y Cultura del AguaLic. Mario Alberto Rodrguez PrezCoordinador General de Revisin y Liquidacin Fiscal

Dr. Michel Rosengaus MoshinskyCoordinador General del Servicio Meteorolgico NacionalC. Rafael Reyes GuerraTitular del rgano Interno de Control

Responsable de la publicacin:Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto:Ing. Eduardo Martnez OliverSubgerente de Normalizacin

La Comisin Nacional del Agua contrat la Edicin 2007 de los Manuales con elINSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGA DEL AGUA segn convenioCNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007Participaron:

Dr. Velitchko G. TzatchkovM. I. Ignacio A. Caldio Villagmez

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CONTENIDO1. GENERALIDADES .................................................................................................2

1.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................2

1.2 DEFINICIONES GENERALES..............................................................................3

1.2.1 Bsicas...............................................................................................................31.2.2 Niveles de operacin..........................................................................................31.2.3 Capacidades en embalses .................................................................................41.2.4 Elementos adicionales en obras de toma...........................................................41.2.5 Hidrolgicas........................................................................................................5

1.3 MTODOS HIDRULICOS MS UTILIZADOS PARA ANLISIS Y DISEO DEOBRAS DE TOMA ......................................................................................................71.3.1 Hidrulica de orificios .........................................................................................71.3.2 Hidrulica de columnas de succin y sistemas de bombeo ...............................71.3.3 Hidrulica de canales abiertos y de cauces naturales........................................71.3.4 Hidrulica de conductos a presin .....................................................................8

1.3.5 Mtodos para aforo de corrientes.......................................................................81.3.6 Manejo de informacin hidroclimatolgica..........................................................81.3.7 Hidrulica de pozos............................................................................................92. CAPTACIN DE AGUAS ATMOSFRICAS........................................................10

2.1 GENERALIDADES..............................................................................................10

2.2 ANLISIS HIDRULICO.....................................................................................122.2.1 Mtodo de Distribucin Acumulativa ................................................................12

2.3 TOMA DIRECTA .................................................................................................162.3.1 Diseo Geomtrico...........................................................................................16

2.4 DISPOSITIVO TECHO-CUENCA.......................................................................172.4.1 Diseo Geomtrico...........................................................................................182.4.2 Anlisis y diseo estructural.............................................................................193. CAPTACIN DE AGUAS SUPERFICIALES........................................................20

3.1 GENERALIDADES..............................................................................................20

3.2 CAPTACIN EN ROS........................................................................................213.2.1 Obra de toma directa........................................................................................213.2.2 Captacin en barraje ........................................................................................383.2.3 Captacin en dique ..........................................................................................40

3.3 CAPTACIN EN PRESA DERIVADORA............................................................443.3.1 Anlisis Hidrulicos ..........................................................................................453.3.2 Diseo geomtrico ...........................................................................................483.3.3 Anlisis y diseo estructural.............................................................................51

3.4 CAPTACIN EN PRESA DE ALMACENAMIENTO............................................523.4.1 Anlisis hidrulico de las tomas .......................................................................543.4.2 Obras de toma en cortinas de concreto o presas de gravedad... .....................783.4.3 Obras de toma en cortinas de tierra o de tierra-enrocamiento .........................80

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3.5 CAPTACIN EN ALMACENAMIENTOS.............................................................91

3.6 CAPTACIN DE MANANTIALES .......................................................................913.6.1 Generalidades..................................................................................................913.6.2 Anlisis hidrulico.............................................................................................943.6.3 Diseo Funcional..............................................................................................97

3.6.4 Obra de toma directa de manantial ................................................................1003.6.5 Obra de toma indirecta de manantial .............................................................1003.6.6 Proyecto Estructural .......................................................................................1014. CAPTACIN DE AGUAS SUBSUPERFICIALES..............................................103

4.1 GENERALIDADES............................................................................................103

4.2 CAPTACIN DE AGUAS SUBLVEAS............................................................1034.2.1 Pozos a cielo abierto o pozos someros..........................................................1034.2.2 Captacin por Galeras Filtrantes...................................................................1094.2.3 Pozos Radiales o Ranney ..............................................................................1164.2.4 Sistema de Puyones (well point) ....................................................................120

5. CAPTACIN DE AGUAS SUBTERRNEAS ....................................................122

5.1 GENERALIDADES............................................................................................122

5.2 CAPTACIN EN POZOS PROFUNDOS ..........................................................1235.2.1 Generalidades ................................................................................................1235.2.2 Hidrulica de los Pozos..................................................................................1265.2.3 Captacin de aguas artesianas .....................................................................1405.2.4 Pozos en cauces de ros ................................................................................153

5.3 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................167

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LISTA DE FIGURAS Y FOTOGRAFAS

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1.1 Obras de captacin 62.1 Ciclo hidrolgico 112.2 Mtodo de polgonos de Thiessen 152.3 Estructura para recoleccin de agua de lluvia 162.4 Techo Cuenca 183.1 Presa derivadora (fotografa) 213.2 Obra de toma directa con canal de llamada (fotografa) 233.3a Obra de toma directa en ro (fotografa) 233.3b Obra de toma directa en ro (fotografa) 243.4 Tirante Crtico 253.5 Tirante Crtico 253.6 Distribucin de la velocidad del flujo en una seccin transversal 273.7 Colocacin de Limngrafo 293.8 Curva Elevaciones Gastos 30

3.9 Obra de toma directa I 333.10 Obra de toma directa II. 333.11 Obra de toma directa III. 343.12 Obra de toma directa IV 343.13 Obra de toma directa V 353.14 Obra de toma directa VI 353.15 Estacin de bombeo flotante 363.16 Estacin de bombeo flotante 363.17 Tipos de Barrajes 393.18 Dique con escotadura 413.19 Obra de toma en dique 423.20 Dique con obra de toma 43

3. 21 Obra de toma en presa derivadora 463.22 Obra de toma con compuertas deslizantes 493.23 Obra de toma y estructura de limpia 503.24 Obra de toma con compuerta deslizante y conduccin a un canal 513.25 Obra de toma mltiple (fotografa) 533.26 Curva Elevaciones - Capacidades 543. 27 Tomas con baja carga de agua 563.28 Obras de toma profundas 573.29 Rejillas 583.30 Coeficientes de contraccin 613. 31 Flujo bajo una compuerta vertical 623.32 Flujo bajo una compuerta radial 63

3.33 Coeficiente de gasto de una compuerta plana vertical 633. 34 Vlvula tipo mariposa 653.35 Vlvula de aguja 653.36 Vlvula esfrica 663. 37 Vlvula de chorro divergente 663.38 Diferentes prdidas 69

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3.39 Variacin del coeficiente para curvas con relacin a su radio paracurvas de seccin circular 75

3.40 Coeficiente de prdidas en las curvas 753.41 Obras de toma en cortinas de concreto o presas de gravedad 783.42 Obra de toma tpica para agua potable 793.43 Obra de toma en cortina gravedad 803.44 Obra de toma en tnel 813.45 Obra de toma en cortina de materiales graduados 823.46 Obra de toma mediante tneles 833.47 Obra de toma mediante tneles 843.48 Obra de toma mediante tneles 843.49 Obra de toma para presa pequea 863.50 Obra de toma provista de compuertas deslizantes y

conductos de concreto87

3.51 Obra de toma en tnel 873.52 Obra de toma para agua potable (fotografa) 883. 53 Obra de toma, corte transversal 883.54 Obra de toma, detalle toma baja 893.55 Obra de toma, detalle toma alta 903.56 Manantial de afloramiento 923.57 Manantial de afloramiento vertical 933.58 Manantial emergente 943.59 Manantial de grieta o filn 943.60 Manantial de afloramiento horizontal 953.61 Manantiales intermitentes 963.62 Venero protegido por una cmara, formada por muro y estructura

de cubierta 983.63 Venero protegido por una cmara, formada por muro y estructura

de cubierta98

3.64 Captacin indirecta de manantial 1024.1 Pozo excavado 1054.2 Pozo con ademe de mampostera de tabique 1074.3 Pozos someros 1084.4 Galeras filtrantes 1104.5 Galera filtrante, transversal al escurrimiento 1114.6 Galera filtrante 1124.7 Cono de depresin en galera filtrante 113

4.8 Galera filtrante (detalles) 1154.9 Pozo radial o Ranney 1174.10 Sistema de Puyones (well point) 1215.1 Tipos de Acuferos 1255.2 Curva de depresin 1265.3 Curva de depresin 1275.4 Cono de Depresin 1285.5 Radio de Influencia 1295.6 Coeficiente de Permeabilidad 132

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5.7 Coeficiente de Almacenamiento 1345.8 Acufero Libre 1355.9 Acufero Confinado 1375.10 Esquema de Permeametro 1395.11 Pozo Profundo 1405.12 Curva Gastos / Abatimientos 1425.13 Curva tipo 1455.14 Escala Logartmica 1465.15 Tipo de Bombas 1475.16 Bombeo a un Tanque 1485.17 Grficas de Operacin 1505.18 Curvas individuales 1505.19 Cambios en las caractersticas de carga, gasto y eficiencia 1525.20 Pozo en zona de inundacin (fotografa) 153

5.20 a Pozo en zona de inundacin 1545.21 Arreglo de conjunto de un pozo 1585.22 Detalles de pozo 1595.23 Silleta (Abrazadera en la Tubera) 1615.24 Fuerzas en el Atraque 1625.25 Pozo en una rea de inundacin 164

LISTA DE TABLAS

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3.1 Coeficiente "n" de Manning para conductos a presin 723.2 Coeficientes de descarga y de prdida para orificios cuadrados 743.3 Coeficiente de prdidas para ampliaciones 763.4 Coeficientes de prdida para vlvulas de compuerta 775.1 Relacin de valores u-w (u) 144

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PRLOGO

Para el desarrollo de los programas de agua potable, alcantarillado y saneamiento,de las poblaciones de la Repblica Mexicana se requiere de proyectos ejecutivospara la construccin de dichos sistemas.

El Manual de Agua Potable Alcantarillado y Saneamiento de la Comisin Nacionaldel Agua (CNA), est dirigido a las personas, dependencias, empresas y organismosoperadores del sector agua potable, con el fin de homogeneizar los proyectos y lasobras nuevas, as como, el mantenimiento, reparaciones y ampliaciones de lasexistentes.

En este libro se describe la procedencia de las aguas con propsito deabastecimiento de agua potable, los criterios de los proyectos funcionales,hidrulicos, geomtricos y las consideraciones especficas para el diseo estructuraly su construccin de las obras de toma.

Se ha intentado integrar en este libro las obras de toma ms comunes que ennuestro pas, por sus condiciones climticas y condiciones diversas del subsuelo ascomo de sus ros, crean un reto al diseador o analista que deber apoyarse en su

juicio y experiencia, as como en las condiciones locales y de funcionamiento paradeterminar la opcin ms adecuada.

Al integrar al diseo hidrulico el diseo estructural de obra de toma, generar unamayor confianza en la aplicacin ms conveniente de diseo o mejoras derehabilitacin de acuerdo a las necesidades particulares.

El inters de la Comisin Nacional del Agua por crear herramientas que permitanmejorar las condiciones de la poblacin en materia de agua potable, nos ha llevado ala elaboracin de este libro que esperamos sea de utilidad, y en espera de suscomentarios, para mejorar el mismo en versiones posteriores.

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1. GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCIN

Los sistemas para abastecimiento de agua potable constan de diversoscomponentes: captacin, conduccin, potabilizacin, desinfeccin, regulacin ydistribucin; en cada uno se construyen las obras necesarias para que sus objetivosparticulares sean alcanzados de forma satisfactoria. La captacin se refiere a laexplotacin del agua en las posibles fuentes; la de conduccin al transporte delrecurso hasta el punto de entrega para su disposicin posterior, la regulacin tienepor objeto transformar el rgimen de alimentacin del agua proveniente de la fuenteque generalmente es constante, en rgimen de demanda variable que requiere lapoblacin, y el objetivo de la distribucin, es proporcionar en el domicilio de losusuarios, con las presiones adecuadas para los usos residenciales, comerciales eindustriales normales, al igual el de suministrar el abastecimiento necesario para laproteccin contra incendios en la zona de demanda, urbana o rural.

Este libro tiene como objetivo establecer los criterios para el diseo hidrulico,mecnico y estructural de la infraestructura que se requiere en la primera fase delabastecimiento, es decir en la zona de captacin.

Dentro del conjunto de la captacin, la Obra de Toma para abastecimiento de agua,puede ser cruda como en presas, comprende las estructuras que se requieren paracontrolar, regular y derivar el gasto hacia la conduccin; su importancia radica en quees el punto de inicio del abastecimiento, por lo que debe ser diseadacuidadosamente. Un mal dimensionamiento de la captacin puede implicar dficit enel suministro ya que puede constituirse en una limitante en el abastecimiento(subdimensionada), o en caso contrario encarecer los costos del sistema al operar enforma deficiente (sobredimensionada).

En el abastecimiento de agua potable, la subvaluacin en la capacidad de la tomagenera un servicio de agua deficiente al usuario, ya que durante las horas del da enlas cuales se tiene la mxima demanda, la imposibilidad de la toma de entregar elcaudal requerido puede generar zonas sin suministro en la red de distribucin. Eneste mismo caso, la sobrevaluacin, impone mayores erogaciones para la inversindeseada, afectando el sistema financiero de las empresas prestadoras del serviciode agua potable, adems la operacin hidrulica es deficiente, pudiendo afectar lacalidad del servicio (bajas presiones) generando tambin molestias al usuario.

Para el caso del aprovechamiento de fuentes superficiales, el abastecimiento deagua suele requerir de la fase adicional de tratamiento, que consiste en detectarmediante anlisis fisico-qumico de una muestra del agua de la corriente, lanecesidad de mejorar su calidad para consumo humano. En cuanto a las fuentessubterrneas, por lo general el medio filtrante natural permite una buena calidad delrecurso, siendo necesario en la generalidad de los casos, tan slo una desinfeccinprevia para su aprovechamiento.

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En la actualidad el cuidado del medio ambiente se torna un punto muy importante, yaque al plantear una toma de agua, cualquiera que sea la fuente, es necesarioconsiderar el impacto que dicha explotacin traera al entorno natural. En fuentessuperficiales interesa el caudal mnimo necesario para sanear las cuencas que aguasarriba descargan en su lecho. En fuentes subterrneas se torna importante el

conocimiento de la recarga natural de los cuerpos de agua, ya que su explotacin nodebe rebasar este lmite o al menos, si se establecen planes de extraccin agudospor temporadas, en ciclo posterior hacer la reduccin necesaria de tal manera que nose afecten las condiciones iniciales y la fuente de agua recupere el nivel natural dealmacenamiento.

En cualquier caso, el diseo adecuado de la obra de toma implica una operacineficiente del resto de la infraestructura de cualquier sistema de abastecimiento deagua.

1.2 DEFINICIONES GENERALES

A continuacin se definirn algunos conceptos de importancia en el tema objeto deeste manual:

1.2.1 Bsicas

Obra de toma: Conjunto de estructuras en la zona de captacin, que permitenexplotar de forma adecuada y eficiente el agua disponible en las fuentes, parabeneficio del hombre.

Fuente o cuerpo de agua: Depsitos de agua, que puede ser del tiposuperficial, subsuperficial o subterrneo.

Cuerpo de agua superficial: Se refiere a las fuentes de agua que no percolanhacia el subsuelo, sino que, escurren sobre la superficie como son ros yarroyos. Tambin se refiere a depsitos de agua como lagos, lagunas yembalses artificiales creados por el hombre con el fin de aprovecharadecuadamente dichas corrientes superficiales.

Cuerpo de agua subsuperficial: Se refiere al agua que percola a escasaprofundidad, como el sublveo de los ros que por ser la interfase ro-acuifero,el nivel del agua fritica se encuentra a escasa profundidad.

Cuerpo de agua subterrnea: Son las unidades hidrogeolgicas de cuerpos odepsitos de agua subterrnea formados por la percolacin profunda de lasaguas.

1.2.2 Niveles de operacin

NAME: Corresponde al nivel de aguas mximo extraordinario en el cuerpo deagua, en el sitio donde se aloja la captacin; corresponde al nivel mximo que

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alcanzan las aguas de una corriente bajo condiciones de flujo mximo ocurridoen poca de lluvias de alto perodo de retorno. Para un embalse, correspondeal nivel mximo de almacenamiento con las compuertas del vertedor deexcedencia completamente cerradas.

NAMO:Es elnivel de agua mximo de operacin ordinaria, en el cuerpo deagua, en el lugar donde se encuentra la captacin.

NAMIN: Es el nivel de agua mnimo de operacin en el cuerpo de agua, en ellugar donde se encuentra la captacin.

1.2.3 Capacidades en embalses

Capacidad para control de avenidas: Es el volumen disponible para regularavenidas durante la temporada de lluvias donde, a causa de estas, seprovoquen avenidas extraordinarias.

Capacidad til: Es el volumen de agua que se aprovecha para satisfacer lasdemandas de agua (riego, agua potable, etc.).

Capacidad muerta: Corresponde al volumen destinado para azolve, por debajode la plantilla de la tubera o tnel de entrada de la obra de toma.

1.2.4 Elementos adicionales en obras de toma

Canal de llamada: Obra de conduccin que tiene el objeto de entregar el aguade ros y embalses para su disposicin adecuada en el punto de la obra detoma.

Rejilla: Elemento utilizado para impedir el paso del material slido (flotante yde arrastre), que llevan las corrientes superficiales a las obras de toma.

Agujas: Elemento utilizado (generalmente en ros) para cortar el ingreso deagua a la obra de toma en casos en los que se tiene acceso directo desde elcuerpo de agua.

Dique: Estructura utilizada para desviar agua de un ro eliminando el acarreodel material de fondo en el cauce.

Conduccin: Es el conjunto integrado por tuberas, estaciones de bombeo ydispositivos de control que permiten el transporte del agua desde la fuente deabastecimiento hasta el sitio de entrega, donde ser distribuida en condicionesadecuadas de calidad, cantidad y presin.

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Figura 1.1 Obras de captacin


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1.3 MTODOS HIDRULICOS MS UTILIZADOS PARA ANLISIS Y DISEO DEOBRAS DE TOMA

1.3.1 Hidrulica de orificiosTeora orientada hacia el diseo de los puntos de control de la toma de agua y su

descarga a los sistemas que la conducirn hacia la zona de demanda. Dadas lasdimensiones de una carga hidrulica, es posible conocer los caudales que circulanpor los orificios abiertos o controlados por vlvulas y compuertas.

Se puede afirmar que todas las obras de toma incluyen para su control, alguno deestos componentes. Los anlisis para orificios se han desarrollado y verificado a nivellaboratorio, contndose con las herramientas de clculo adecuadas y de buenaaproximacin.

1.3.2 Hidrulica de columnas de succin y sistemas de bombeoSe torna importante en la generalidad de los casos, desde un depsito derecoleccin de agua precipitada captada en trampas, hasta el caso de los pozosprofundos emplazados en acuferos, en los cuales se requiere la seleccin cuidadosade la combinacin necesaria de la bomba y el motor.

Mediante el anlisis de las cargas que deber vencer el equipo de bombeo(profundidad del estrato, prdidas por friccin en las tuberas y prdidas menores), seconoce la potencia que requiere un motor para transmitir a la bomba la energa que asu vez ceder al agua. La operacin terica ptima del conjunto bomba-motorocurrira en caso de que estas cantidades fuesen iguales, sin embargo, los motorespresentan prdidas de energa que se traducen en calentamiento y la bombapresenta tambin prdidas en el rodete, siendo necesario incrementar la Potencianecesaria del motor por un factor que nivele este hecho para que se transmita al flujode agua la potencia que este necesita.

1.3.3 Hidrulica de canales abiertos y de cauces naturalesEn combinacin con la hidrulica de obras de control (orificios y compuertas),integran una herramienta para el diseo hidrulico de las obras de toma grandes ypequeas. El objetivo de la hidrulica de canales es el conocimiento de lascaractersticas del escurrimiento superficial (caudal o flujo, tirante, perfil, etc.) encanales y secciones naturales, en la definicin de niveles para el desplante de lasobras e igualmente para su dimensionamiento. En este caso, se tiene una amplitudde caractersticas y condiciones del escurrimiento por analizar y clasificar, entre lasms importantes:

En funcin del nivel de energa: Flujo subcrtico o supercrtico, valoradomediante el nmero de Froude. El flujo supercrtico tiene asociadas altasvelocidades.

En funcin del cambio de tirante y de velocidad en la seccin deescurrimiento: Flujo permanente o no permanente

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En trminos generales, los ros de caudal perenne estn dentro de la clasificacin deflujo subcrtico permanente durante temporada de secas y de subcrtico nopermanente durante avenidas.

El rgimen supercrtico transitorio lo presentan arroyos (rurales y/o urbanos) de alta

pendiente. El caudal de escurrimiento a flujo constante en canales de fuertependiente genera un rgimen supercrtico permanente.

1.3.4 Hidrulica de conductos a presinEn este caso es importante la definicin de la carga de trabajo, dimetros, longitudes,parmetros de construccin, ubicacin de vlvulas y/o compuertas de control,prdidas locales y prdidas por friccin en la tubera.

La descarga y nivel asociado son muy importantes en el diseo de la toma, ya que suconocimiento permite prever obras tales como disipadores de energa o depsitos debombeo o rebombeo. La hidrulica de tuberas integrada al diseo de sistemas de

bombeo, permite desarrollar grandes obras hidrulicas, como es el caso del sistemaCutzamala que abastece a la ciudad de Mxico.

1.3.5 Mtodos para aforo de corrientesEl conocimiento del flujo que escurre por la seccin de un ro, es necesario en eldiseo de cualquier dimensionamiento de una toma, ya que es necesario valorar elpotencial de la corriente contra el nivel de la demanda requerida. El mtodo de aforoms usado en los ros de Mxico es el de la relacin seccin - velocidad, el cual selleva a cabo subdividiendo la seccin del ro o canal y mediante un molinete sedefinen sus velocidades parciales. Conocidas las subreas transversales de laseccin, se integran los gastos parciales para obtener el caudal total que escurre.

1.3.6 Manejo de informacin hidroclimatolgicaLos registros en el tiempo de variables climatolgicas (lluvia, temperatura yevaporacin) son importantes en la conceptualizacin y dimensionamiento de lasobras de captacin. El tipo de manejo que se hace de la informacin es de tipoestadstico y probabilstico, ya que interesa conocer parmetros medios, mximos,mnimos y el nivel de riesgo, entre otros.

La magnitud o el nivel de aprovechamiento de un cuerpo de agua se estima entrminos del conocimiento de sus componentes de entrada y salida; as, en el casode aguas de lluvia o atmosfricas, los volmenes de diseo de los depsitos de

recoleccin, dependen de la lmina de lluvia y de su duracin, por lo que, lasdimensiones de la obra de captacin dependen del manejo de dicha informacin.

Para conocer el potencial de extraccin de un acufero se requiere estudiar losmecanismos de infiltracin subsuperficial y profunda, siendo la lluvia que cae a lasuperficie uno de sus componentes. La extraccin a una presa o almacenamientoque capta aguas superficiales que escurren en el lecho de un ro, est regida

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igualmente por un balance de los componentes de entrada y salida. Entradas talescomo escurrimientos y lluvias; salidas, tales como infiltracin y evaporacin.

1.3.7 Hidrulica de pozosEl flujo de agua subterrnea constituye un aspecto importante dentro de la

geohidrologa, ya que es un caso especial de flujo a travs de un medio poroso. Elestudio del agua subterrnea presenta diferentes grados de dificultad en la medidaque se deseen considerar todos los aspectos: fronteras o limitantes geolgicos,carcter tridimensional del flujo, etc. En este sentido, resulta prcticamente imposibleresolver analticamente un flujo de agua tridimensional, al menos que las condicionesde simetra del caso estudiado, posibiliten reducir las ecuaciones a un sistemabidimensional, lo cual puede lograrse en la mayora de los casos

El tratamiento de anlisis de acuferos en medios porosos est regido por la ecuacinde Darcy, ley que relaciona la velocidad del flujo con las prdidas de energa quetienen lugar a lo largo de su recorrido. El anlisis es aplicable a las condiciones de

acufero libre y confinado.El potencial de un pozo se conoce a travs de las pruebas de bombeo, en las cualesmediante el registro de caudal de bombeo - abatimiento del nivel en el pozo, seobtienen los parmetros de formacin del medio filtrante como son: el coeficiente depermeabilidad y el de almacenamiento, los cuales enmarcan el posible rendimientodel acufero que se desea explotar.

El flujo de agua subterrnea queda definido por los parmetros de presin, densidad,velocidad, temperatura y viscosidad del agua infiltrada en una formacin geolgica,siendo estas en la mayora de los casos las variables a definir.

Un medio poroso recibe el nombre de isotrpico si sus propiedades hidrulicas ymecnicas son iguales en cualquier direccin desde un punto seleccionado; si estasvaran se denomina anisotrpico.

Con el manejo cuidadoso de la hidrulica de pozos es posible reducir el alto nivel deincertidumbre que en la mayora de los casos acompaa los estudios de un acufero.

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2. CAPTACIN DE AGUAS ATMOSFRICAS

2.1 GENERALIDADESEstas corresponden al agua proveniente de la atmsfera; incluye, en funcin delestado fsico del agua al precipitar (lquido o slido): precipitacin pluvial, nieve,granizo y escarcha. En Mxico y en general, en Latinoamrica, la precipitacin pluvialse torna de mayor importancia, ya que es la ms susceptible de aprovecharse. ( verfigura 2.1)

Estas aguas son importantes en diversos procesos naturales de alimentacin a lasfuentes de agua, ya que al precipitarse al suelo, alimentan corrientes superficiales ose infiltra de manera subsuperficial y/o profunda, recargando los cuerpos de aguasubterrnea. Al alimentar corrientes superficiales alimenta los almacenamientosubicados en sus lechos. Las nubes que producen agua son predominantemente lasdel tipo cmulo nimbus (otros tipos de nubes que tambin producen agua son lasdenominadas: cirrostratos, altocumulus y stratus), cuya base puede estar a unpromedio de 1000 m de altura aproximadamente y su cspide llega a alcanzar hasta8 000 m de altura. El proceso de ocurrencia de la lluvia es complejo, el fenmeno dela condensacin (formacin de nubes) ocurre en una masa atmosfrica ascendente,cuando esta alcanza la temperatura del punto de roco, es decir, cuando llega al100% de humedad relativa. Si la temperatura atmosfrica est en esos momentosarriba de cero (0o C) se verifica el fenmeno de la condensacin, en caso contrario(debajo de 0o C) se produce una sublimacin, es decir, formacin de lquido o slido,segn el caso. Si la condensacin o la sublimacin se dan en gran escala, se puedetener una copiosa precipitacin lquida o slida.

La precipitacin pluvial cobra gran importancia en las zonas ridas o secas, en lascuales es importante recolectar las aguas que caen en los techos de las casas parael aprovechamiento particular de los habitantes de la vivienda. En este caso, dado loescaso del recurso, es posible construir estructuras llamadas techo-cuenca,mismas que permiten mejorar la captacin de la precipitacin atmosfrica.

Estas captaciones son importantes en aquellos lugares en los que no se dispone deun sistema para abastecimiento de agua, pero que s ocurren precipitaciones deconsideracin durante la temporada de lluvias. Tambin es deben tomar en cuentaen aquellas regiones con escasa precipitacin en climas del tipo rido o semirido,donde se hace indispensable el mximo aprovechamiento; siendo esta agua debuena calidad, puede ser utilizada en labores domsticas y agropecuarias. No es una

fuente permanente, por lo que debe almacenarse en poca de lluvias para disponerde ella durante la sequa. Durante la recoleccin o el almacenamiento puede sufrircontaminacin, por tal razn deben tomarse medidas para que esto no suceda.

El almacenamiento se hace en cisternas o aljibes, cuyas dimensiones varan segnsea unifamiliar o para un conjunto de casas, ubicados aledaos al domicilio, ya que astos descargarn los bajantes que vienen del techo. Por ser estructuras sencillas, elagua se extrae del aljibe mediante bombas de mano.

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Figura 2.1 Ciclo hidrolgico


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2.2 ANLISIS HIDRULICOLa lmina de la lluvia de diseo podr ser calculada con la informacin climatolgicade la estacin o estaciones ms cercanas, aplicando cualquiera de losprocedimientos que se describen en los siguientes prrafos.

Con el propsito de desarrollar la tecnologa tendiente al conocimiento de la altura delluvia para diseo, es necesario un entendimiento de la variacin en tiempo y espaciode los elementos climticos y su influencia en el dimensionamiento de lainfraestructura de captacin. Si la dependencia de esta forma de abastecimiento esimportante para los habitantes de una regin, cobra importancia la cuantificacin dela precipitacin pluvial en trminos de la probabilidad de ocurrencia, ya que la lluviaes el factor decisivo que permite determinar el potencial del suministro.

Para el clculo de la probabilidad de lluvia se pueden utilizar diversos mtodos. Eneste manual se describe y recomienda el mtodo de la Distribucin Acumulativadebido a lo sencillo de su clculo y a la confiabilidad que le asignan muchos autores.

Sin embargo, lo anterior no limita el resto de metodologas ms laboriosas descritasen los manuales de hidrologa, en caso de disponer de un mayor volumen deinformacin.

2.2.1 Mtodo de Distribucin Acumulativa

Para aplicar este mtodo debern seguirse los siguientes pasos:

Ordenar las precipitaciones pluviales (semanal, quincenal, mensual o anual)en forma decreciente.

Asignar un nmero de orden, iniciando en el 1 para el valor ms grande y, deesta manera, en orden ascendente hasta llegar al valor ms pequeo.

Determinar la probabilidad de ocurrencia para cada observacin, para lo cualse puede emplear la frmula:

( )[ ] 1001/ XNMPb +=

donde:Pbes la probabilidad de ocurrencia de un cierto nmero de observacionesM es el nmero de orden del eventoN es el nmero total de observaciones

Adems de la probabilidad de ocurrencia de cierto evento lluvioso, es importanteconocer su recurrencia o perodo de retorno, que indica el tiempo en el que sepresentara una altura de precipitacin mayor o igual que la analizada. La expresinutilizada para el clculo del perodo de retorno es:

Tr N M = /

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donde:Tr es la frecuencia o perodo de retorno, en aos

De esta manera la definicin de la lluvia de diseo, se torna un proceso conseleccin del riesgo. Para establecer aqu un criterio, se define la precipitacin

confiable (PC) como aquella que cuenta con un nivel de probabilidad de ocurrenciadel 75%.

Los datos base de un anlisis probabilstico de lluvias pueden ser mensuales oanuales. Los datos mensuales son ms recomendables, ya que consideran lastormentas de corta duracin para el diseo del depsito de recoleccin.

Precipitacin Media (Pm)

La lluvia media asociada a una duracin conocida puede calcularse aplicando a unalista de datos cualquiera uno de los siguientes procedimientos.

a) Mtodo aritmtico

Se utiliza cuando se tienen datos de una sola estacin.Se calcula mediante la expresin:

[ ] nPnPPPPm in //....21 =+++=

donde:Pi es la precipitacin registrada en el perodo i del registro disponible en (mm)n es el nmero total de registros

b) Mtodo Ponderado

Se utiliza cuando se tienen datos de ms de dos estaciones climatolgicas; laexpresin es:

( ) ( ) ( ) iinn PFPFPFPFPm =+++= ....2211

donde:F1, F2,..,Fn es el factor de ponderacin, asociado a la estacin climatolgica 1,2,..., n.P1, P2, ....., Pn es la precipitacin registrada en las estaciones 1, 2,.....,n;

mensual o anual, en mm.

El factor de ponderacin asociado a cada estacin climatolgica ubicada en unacuenca hidrolgica se calcula utilizando el mtodo de Polgonos de Thiessen,descrito a continuacin:

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Los pasos que deben seguirse son:

Primero se marcan en un plano de la zona, todas las estacionesclimatolgicas ubicadas en el rea de estudio y sus alrededores.

El plano utilizado debe tener claramente expresada su escala, as comoreferencias de latitud y longitud.

Se unen entre s todas las estaciones climatolgicas con lneas punteadas yen forma de tringulos.

Cada estacin debe unirse con todas las estaciones que la circunden, pero nodeber haber cruzamientos de estas lneas punteadas.

Del punto medio de cada lnea punteada, se traza una perpendicular. El rea

de influencia de cada estacin climatolgica queda determinada por lasuperficie circundada por las bisectrices perpendiculares.

Finalmente la superficie circundada por las bisectrices se mide con planmetroy se calculan los factores de ponderacin por estacin utilizando:

F S S T F S S T F S S T n n1 1 2 2= = =/ , / , . . . . . , /

donde:Fi es el factor de ponderacin de la estacin i.Si es la superficie asignada a la estacin i, en hectreas (ha)STes la superficie total de estudio, en hectreas (ha)

Para mayor referencia sobre estadsticas de precipitacin se recomienda consultarlos boletines hidrolgicos de la Repblica Mexicana y la base de datos ERICK(Extraccin Rpida de Informacin Climatolgica) del CLICOM de la ComisinNacional del Agua.

En la figura 2.2 se observa un ejemplo de aplicacin del Mtodo de los Polgonos deThiessen.

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Figura 2.2 Mtodo de polgonos de Thiessen

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LM

PB

T

P


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2.3 TOMA DIRECTA

2.3.1 Diseo GeomtricoEl lugar fsico de la recoleccin son los techos de las viviendas y/o techumbresconstruidas con el objeto de captar la lluvia, por lo cual se requiere de un sistema de

tuberas o bajantes que lleven las aguas hasta el nivel del terreno donde se ubica elaljibe. Conviene y hasta es indispensable cuando el agua se utiliza para consumohumano, que este lleve un filtro de arena-grava. Deben desecharse los primerosminutos de la precipitacin, puesto que lava la superficie de captacin arrastrando lasmaterias que se encuentran en ella; para este fin, es necesario que el tubo de bajadatenga un juego de vlvulas que permita desviar o encauzar esta agua al depsito,segn se requiera. Es recomendable mantener cerrado el depsito, dada su facilidadde contaminacin; la bomba manual ayuda este objetivo ya que el casquillo metlicodonde se coloca lo asla por completo del exterior.

En la figura 2.3 se ilustra una estructura tpica para recoleccin de agua de lluvia a

nivel domiciliario.

Figura 2.3 Estructura para recoleccin de agua de lluvia

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Para el dimensionamiento del depsito, es necesario conocer el rea de captacindel techo de la vivienda, adems de la precipitacin mxima representativa de lazona, utilizando la expresin:

1000/PmXATV =

donde:V es el volumen del crcamo o depsito de agua, en m3AT es el rea del techo o techos con los cuales se desea captar el agua de lluvia,en m2.Pm es la lmina de la lluvia de diseo, en mm.

Filtro de Grava y Arena

Para el dimensionamiento del filtro se requiere arena y grava con dimetros de38.1mm (1, ) y de 3.17mm (1/8), colocando en la parte ms alta la arena(espesor de 30 cm) y posteriormente la grava, reduciendo paulatinamente su tamao

(espesores de 10 cm). En la figura 2.3 se observa que la captacin de agua pluvialtiene el filtro colocado en la cubierta del depsito.

Cabe mencionar en este subcaptulo que existen zonas del pas, en las cualesdebido a lo escaso de la precipitacin, se hace necesario captar el agua de lluviapara consumo humano de forma ms eficiente que con las estructuras presentadas.En estos casos la precipitacin pluvial adquiere gran relevancia para el autoabastecimiento de la poblacin.

2.4 DISPOSITIVO TECHO-CUENCA

El dispositivo ms apropiado para colectar el agua de lluvia para consumo humano,en regiones de escasa precipitacin es el llamado Techo-Cuenca (TC). Constabsicamente de dos secciones (ver figura 2.4): (A) el techo, que funciona como reade contribucin y retardador de evaporacin simultneamente; inmediatamente, en laparte inferior, se localiza el tanque o cisterna de almacenamiento (B). El techo estformado por dos superficies que convergen a un canal central (C) con pendienteinducida, el cual permite al agua colectada caer por gravedad a la cisterna, por mediode unas cajas con tamiz (D).

Colocado sobre la pared externa de la misma cisterna, se ubica un piezmetro (E), elcual permite observar el nivel del agua captada y por tanto, conocer el volumen

almacenado.

El Sistema de conduccin de agua consiste en una vlvula de paso (F), la tubera deconduccin (G), de 5 cm de dimetro, para terminar con una llave (H) empleada parael consumo humano. Finalmente se incluye una cerca de proteccin (I) que circundala construccin y una pequea puerta de acceso (J).

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Figura 2.4 Techo Cuenca

2.4.1 Diseo Geomtrico

El material del rea de contribucin del techo, se recomienda de lmina metlica; ensistemas as construidos, las mediciones realizadas durante 5 aos en el techo-cuenca experimental del municipio de Doctor Arroyo (ejidos Lagunita y RanchosNuevos, Edo. de Nuevo Len) indican que la eficiencia del dispositivo TC alcanza el88%, sin embargo, para propsitos prcticos se debe utilizar el 80%. La eficiencia dela captacin (h) es dada por:

h Vcap Vt = / donde:

V cap es el volumen de agua captado por el dispositivo TC. en m3Vt es el volumen total precipitado sobre el dispositivo TC. en m3

Es importante mencionar que la pendiente de cada una de las reas de contribucindel dispositivo es del 5 %, y que, desde un punto de vista prctico tal porcentaje noinfluye en la variacin del volumen de agua captada.

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Considerando lo anterior, el volumen total y las dimensiones de este dispositivo secalculan con la siguiente expresin:

( )[ ]VT Pm B L= 08. donde:

VT es el volumen total de agua captado, en m3

Pm es la lmina de precipitacin media asociada a una duracinseleccionada, en m.

B es el ancho del rea de captacin, en m.

L es el largo del rea de captacin, en m.

0.8 es el coeficiente de escurrimiento, adimensional.

Dado que las precipitaciones mximas superan la lmina media anual, es posibleque durante la temporada de lluvias el depsito dimensionado de esta manera seainsuficiente, siendo aconsejable que el aljibe sea dimensionado con una Pmasociada al perodo de lluvias o a precipitaciones mximas anuales de tormentas en24 horas, es decir, seleccionando la lmina de lluvia diaria mxima de cada uno delos ao del registro y aplicando a la lista de datos cualquiera de los mtodosdescritos anteriormente para conocer la Pmde diseo.

2.4.2 Anlisis y diseo estructuralEL anlisis y diseo estructural se efectuar conforme a los lineamientos y

especificaciones contenidas en el libro de recipientes del "Manual de Agua PotableAlcantarillado y Saneamiento".

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3. CAPTACIN DE AGUAS SUPERFICIALES

3.1 GENERALIDADESLas aguas superficiales son aquellas que escurren en los cauces y presentan unasuperficie libre sujeta a la presin atmosfrica, estas pueden ser corrientes perennes,es decir, cauces que llevan flujo todo el ao, producto del drenaje natural de losacuferos que la alimentan durante la temporada de sequas y que adems, entemporada de lluvias, recibe los escurrimientos generados en la cuenca de captacinaguas arriba y corrientes intermitentes las cuales presentan un flujo igualmentesujeto a la presin atmosfrica y cuya duracin se limita a la presencia deprecipitaciones en la cuenca drenada.

Los arroyos son el producto de la precipitacin pluvial de corta duracin y fuerteintensidad, lo cual, en combinacin con la morfologa del terreno puede favorecer laformacin de corrientes con altas velocidades de escurrimiento.

Tambin son cuerpos de aguas superficiales las siguientes fuentes naturales:cinagas, lagos, lagunas, grutas, cenotes y las fuentes creadas artificialmente por elhombre (presas y embalses en general).Estas aguas representan una buena opcinpara abastecimiento a las poblaciones rurales o urbanas, previo tratamiento,establecido en funcin de los componentes indeseables y los parmetros de calidadexigidos por las normas actuales.

Las aguas superficiales representan una gran alternativa de suministro, requiriendoobras de captacin que en la generalidad de los casos utilizan equipos de bombeopara su aprovechamiento directo desde la corriente. Estas aguas pueden ser mejoraprovechadas si se construyen embalses o se deriva el caudal necesariosobreelevando el nivel del ro, para lo cual se construyen presas derivadorasFotografia. 3.1, utilizadas por lo general para suministro a zonas agrcolas.

Para evitar que grandes slidos que arrastran las corrientes ingresen y tapen lastomas, se utilizan rejillasinstaladas en la boca de las mismas.

Si se requiere aprovechar con tomas directas las aguas de una corriente turbulenta,no siempre es posible su aprovechamiento directo por las condiciones indeseablesque este hecho representa para operar equipos de bombeo o cualquier otro sistema;en este caso es necesario incluir un canal de llamada, perpendicular a la corriente,que tome el agua y la tranquilice a lo largo de su recorrido hasta entregarla a un

depsito o crcamo de bombeo, donde ser aprovechada o enviada hacia otro punto.

Para agua potable, en las presas de almacenamiento se tienen tomas que van desdevertedores de gasto lateral (pared vertedora) hasta canales de llamada queconducen las aguas del embalse a la obra de toma que puede ser un depsito o uncrcamo de bombeo, para posteriormente conducir el agua mediante sistemas detuberas con objeto de entregarla a las localidades urbanas o rurales.

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Fotografa 3.1 Presa derivadora

3.2 CAPTACIN EN ROS3.2.1 Obra de toma directa

La forma de captar agua de una corriente superficial mediante una toma directa,vara segn el volumen de agua por captar y las caractersticas de la corriente, esdecir, el rgimen de escurrimiento, que puede ser del tipo permanente o variable, sucaudal en poca de secas y durante avenidas, velocidad, pendiente del cauce,topografa de la zona de captacin, constitucin geolgica del suelo, material dearrastre, niveles de agua mximo y mnimo en el cauce, naturaleza del lecho del ro yde otros factores que saltan a la vista en el proceso de seleccin del tipo de obra decaptacin por toma directa.

En las fotografas 3.2, 3.3a y 3.3b se presentan obras de toma directa en unacorriente, cualquiera que sea el tipo de obra que se elija, debe satisfacer las

siguientes condiciones:

La bocatoma se localizar en un tramo de la corriente que est a salvo de laerosin, del azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual.

La clave del conducto de la toma se situar a un nivel inferior al de las aguasmnimas de la corriente.

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En la boca de entrada llevar una rejilla formada por barras y alambrn con unespacio libre de 3 a 5 cm., la velocidad media a travs de la rejilla ser de 0.10a 0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante.

La velocidad mnima dentro del conducto ser de 0.6 m/s, con el objeto deevitar azolve.

El lmite mximo de velocidad queda establecido por las caractersticas delagua y el material del conducto.

En el proyecto de la obra de captacin, se dispondr de los elementos que permitanla operacin, el acceso, inspeccin y limpieza de los diversos componentes de laobra. Dichos elementos son escaleras en gradas, escaleras marinas, registros,compuertas, barandales, iluminacin, seales, medidas de seguridad como alarmasy sistemas de comunicacin, entre otros.

En la generalidad de los casos, las aguas de ros o arroyos estn contaminadas,tanto por desechos de la poblacin como por impurezas que arrastra el viento o lalluvia, razones por las cuales estas aguas requieren cierto tratamiento para sersuministradas. En medios rurales se evitar en lo posible el aprovechamiento deestas fuentes por el problema econmico que representa.

Para llevar a cabo un proyecto de una obra de toma de manera satisfactoria, esnecesario considerar los aspectos hidrulicos de manera cuidadosa, requirindosedefinir para la ubicacin seleccionada, los siguientes aspectos:

Los caudales promedio, mximo y mnimo del escurrimiento en el cauce

Los niveles asociados a caudales mximo, medio y mnimo de operacin

Estimacin del arrastre de sedimentos a lo largo del cauce Calidad del agua en la fuente

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Fotografa 3.2 Obra de toma directa con canal de llamada

Fotografa 3.3a Obra de toma directa en ro

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Fotografa 3.3b Obra de toma directa en ro

Diseo Hidrulico

Clculo de caudales

Es posible establecer el volumen o caudal de agua que lleva una corriente superficialmediante aforos.Aforar una corriente significa determinar a travs de mediciones elgasto que pasa por una seccin dada. En este manual se exponen los dos mtodosbsicos de aforo, ms utilizados en Mxico:

Mtodo Seccin de Control:

Una seccin de control de una corriente se define como aquella en la que existe unarelacin nica entre el tirante y el gasto. De los muchos tipos de secciones de controlque se pueden usar para aforar corrientes, los ms comunes son aquellos queproducen un tirante crtico y los vertedores.

Se forma un tirante crtico elevando el fondo del cauce, estrechndolo o con unacombinacin de ambas tcnicas. Cuando se sobreleva el cauce (figura 3.4) el caudalse calcula utilizando la frmula de vertedores de pared gruesa:

2/37.1 BHQ = donde:

B es el ancho del cauce, en m.

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H es la carga sobre el vertedor, en m.Q es elGasto, en m3/s.

Para que dicho dispositivo tenga un buen funcionamiento, se recomienda que:3 4 L H/ , y que:

S H 08.

Figura 3.4 Tirante Crtico

Otra manera de provocar la formacin de un tirante crtico es cuando la topografapermite disponer de una cada libre (ver figura 3.5); en este caso el gasto se calculacon el tirante medido justo a la cada usando la expresin:

( )Q By gy= 1651 2

./

Donde: yest en m, gen m/s2, Ben m y Qen m3/s.

Figura 3.5 Tirante Crtico

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El mtodo de las secciones de control es el ms preciso de todos pero presentaalgunos inconvenientes. En primer lugar, es relativamente costoso y en general, slose pueden utilizar con caudales no muy elevados de tipo medio; en el caso de losvertedores, se tiene el inconveniente de que, con un pequeo descuido, ste generaun remanso hacia aguas arriba de la seccin, por ello el mtodo es adecuado para

ros pequeos, cauces artificiales (canales de riego) o cuencas experimentales.Mtodo de la Relacin Seccin - Velocidad:

Este mtodo es el ms usado para aforar corrientes. Consiste bsicamente en medirla velocidad en varios puntos de la seccin transversal de una corriente y despuscalcular el gasto por medio de la ecuacin de continuidad:

Q vA= donde:

Q es el caudal, en m3/s.

v es la velocidad media en la seccin, en m/s.A es el rea hidrulica de la seccin, en m2.

La velocidad del flujo en una seccin transversal de una corriente tiene unadistribucin como la que se muestra en la figura 3.6.

Para determinar el gasto no es suficiente entonces medir la velocidad en un slopunto, sino que es necesario dividir la seccin transversal del cauce en variassecciones llamadas dovelas. El gasto que pasa por cada dovela es:

q a vi i mi=

donde:qi es el caudal que pasa por la dovela ien m3/s.ai es el rea correspondiente a la dovela ien m

2.vmi es la velocidad media en la dovela ien m/s.

La velocidad media vmi se puede tomar como la medida a una profundidad de 0.6 y i(medida a partir del nivel de la superficie del agua) aproximadamente, donde yi es eltirante medido al centro de la dovela (figura 3.6), cuando este no es muy grande; encaso contrario conviene tomar al menos dos medidas, a profundidades de 0.2 y 0.8de yi,; as la velocidad media sera:

( ) 2/8020 vvvmi +=

Donde v20 y v80 son las velocidades medidas a 0.2 y 0.8 y i, respectivamente.Cuando yi es muy grande puede ser necesario tomar tres o ms lecturas develocidad en la dovela. Es recomendable medir la profundidad de la dovela cada vezque se haga un aforo. Entonces el gasto total que pasa por la seccin del cauceanalizada es:

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Q q q q Sqn i= + + + =1 2 .... donde:

n es el nmero total de dovelas.

La velocidad del flujo se mide con los molinetes, instrumentos que cuentan con unahlice o rueda de aspas que giran impulsadas por la corriente y, mediante unmecanismo elctrico transmiten por un cable el nmero de revoluciones por minuto opor segundo con que gira la hlice. Esta velocidad angular se traduce despus avelocidad del agua usando una frmula de calibracin que previamente se determinapara cada aparato en particular.

Figura 3.6 Distribucin de la velocidad del flujo en una seccin transversal

Clculo de niveles

La importancia del clculo de los niveles mximos y mnimos de operacin radica enla ubicacin vertical de la toma ya que es importante colocarla por debajo del nivel

mnimo de operacin de la corriente, para asegurar el suministro durante latemporada de secas, por otro lado, el nivel mximo de operacin es importante paraconocer los niveles de sumergencia de las bombas de eje vertical, ubicadas en elcrcamo de recoleccin, cercano a la corriente (ver fotografas 3.2, 3.3a y 3.3b),determinar el nivel requerido en las tomas de derivacin (inciso 3.3.2) y para que lasinstalaciones e infraestructura de la toma, queden fuera del alcance de las avenidascomo por ejemplo aquellos pozos perforados en el cauce de una corriente.

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Para establecer los niveles de operacin, con miras al diseo de una obra de toma,se pueden seguir dos caminos, en funcin de la informacin e infraestructuradisponibles:

Si existe en el sitio o cercanas una estacin hidromtrica que cuente con un

limnmetro o un limngrafo, se podr realizar un anlisis directo de los niveles deagua en la seccin donde se alojar la toma.

Si no se cuenta con informacin hidromtrica de alguna estacin en funcionamiento,la definicin de los niveles de operacin se debern abordar de manera indirectausando mtodos hidrulicos.En el primero de los casos se dispone de registros que proceden de los aparatosregistradores de nivel, que pueden ser:

Limnmetro. Es una regla graduada que se coloca en una de las mrgenes del cauce,en la que normalmente se lee la elevacin de la superficie cada dos horas, enpocas de avenida y cada 24 horas en estiaje. Dado que la hora en que ocurre elgasto mximo de una avenida puede no coincidir con alguna de las lecturas,conviene marcar el limnmetro con pintura soluble en agua, de manera que se puedaconocer el nivel mximo y su caudal pico asociado.

Limngrafo. Es un aparato automtico con el que se obtiene un registro continuo deniveles (figura 3.7). Se coloca junto a la corriente, conectando con un tubo o unpequeo canal de llamada, excavado desde el ro. El aparato consta bsicamente deun flotador, unido a una plumilla que marca los niveles de agua en un papel fijado aun tambor que gira mediante un mecanismo de relojera. El papel se cambianormalmente una vez al da, aunque esto se fija de acuerdo a la variabilidad delgasto con el tiempo. El registro de niveles contra el tiempo, obtenido de un limngrafose llama limnograma

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Figura 3.7 Colocacin de Limngrafo

Es as, como de datos obtenidos por aparatos registradores de nivel, asociados a unperodo de lecturas razonable, es posible conocer los niveles de operacin mnimo(NAMIN) y mximo (NAMO) de la corriente en la seccin de inters donde selocalizar la obra de toma.

Para hacer ms rpida la definicin del caudal de escurrimiento, dado un nivel delagua en la seccin de inters, se puede calibrar la curva elevaciones-gasto, querelaciona la elevacin de la superficie libre del agua con el gasto que pasa por laseccin.

Curva elevaciones-gastos

Para construir estas curvas se utilizan datos obtenidos de diversos aforos en laseccin de inters. En trminos generales, la seccin de aforos de un ro no esseccin de control, por lo que la relacin tirantes-gastos no es nica. En la figura 3.8se muestra una curva elevaciones gastos tipo.

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Figura 3.8 Curva Elevaciones - Gastos

El fenmeno de histresis, es decir, el comportamiento diferente que se observa enla superficie del agua cuando el gasto aumenta y cuando disminuye, se debe a queel gradiente o pendiente hidrulica del flujo, es mayor durante el ascenso de loshidrogramas que durante el descenso. Se acostumbra ajustar los puntos medidos auna curva media que tiene la siguiente ecuacin:

( )nEECQ = donde:

Q es el caudal asociado al tirante E, en m3/s.

E es el tirante medido en la seccin de inters, en m.

Eo es la elevacin correspondiente al gasto cero, en m.

C, n son los coeficientes de ajuste que se determinan con una relacin devalores Q-E, medidos en campo, obteniendo logaritmos a la expresin anterior yluego aplicando el mtodo de mnimos cuadrados.

En la mayora de los ros la forma de las secciones transversales cambiacontinuamente debido a los procesos de erosin y sedimentacin, por lo que esconveniente realizar aforos con la frecuencia suficiente para contar en cualquiermomento con una curva elevaciones-capacidades actualizada.

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La variabilidad en el tiempo de una seccin de aforos depende de varios factores: suforma, su situacin con respecto a meandros o curvas del ro y el material que formael cauce, entre otros factores. Por esto se torna difcil la decisin relativa a lafrecuencia que deben tener los aforos. En trminos generales se ha establecido quees necesario realizarlos 5 6 veces al mes, aunque algunas dependencias como la

Comisin Nacional del Agua y la Comisin Federal de Electricidad especifican unaforo diario.

Ya conocida la curva elevaciones-gastos de una seccin de aforos, es suficienteconocer el nivel o elevacin de la superficie del agua para obtener el caudal queatraviesa la seccin. En el caso de requerir un nivel asociado a un caudal de diseoen el ro, para emplazamiento de un equipo u obra de toma para captar agua, sepuede establecer mediante dos posibles caminos:

Si se cuenta con la relacin caudal-nivel mediante la curva elevaciones-capacidades,se puede resolver dicha ecuacin para definir la elevacin E, asociada al caudal dediseo Qconsiderado.

Si no se dispone de la curva mencionada se puede seguir el siguiente mtodo:

Buscar hacia aguas abajo de la seccin de inters una seccin de controlsobre el cauce de la corriente.

A partir de dicha seccin y con el gasto de diseo (medio, mximo omnimo), calcular hacia aguas arriba el perfil del agua, utilizando lasecuaciones y metodologa del flujo permanente gradualmente variado,(referencia bibliogrfica 5) obteniendo un perfil M2, asociado a ros con

pendiente subcrtica.

El nivel deseado ser el calculado hasta la altura de la seccin analizaday con este se tomar la decisin de ubicacin vertical o elevacin de lainfraestructura de la toma.

Diseo geomtrico

Los elementos que en general, integran una obra de toma directa en ro son: el canalde llamada o tubera de llegada, la transicin de entrada, la estructura de entrada, losconductos, la cmara de decantacin y el crcamo de bombeo.

El canal de llamada o tubera de llegada conecta el escurrimiento con la estructurade entrada; puede o no contar con una transicin de seccin que se utiliza paravariar la inclinacin del talud que presenta el canal de llamada a un talud vertical enla proximidad de la estructura de entrada. Esta transicin puede ser nicamente deltalud, de la plantilla o de ambos.

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La estructura de entrada en particular, es la que se considera como la obra de toma,ya que cuenta con orificios a travs de los cuales se realiza la toma del agua. Losorificios pueden estar alojados a diferentes niveles, se recomienda, que la distanciavertical al umbral de los orificios sea de un mximo de cuatro metros, susdimensiones quedan determinadas por el gasto que se pretende captar y por la

velocidad del agua a travs de ellos, que no deber ser mayor de 0.6 m/seg.Los orificios de entrada pueden estar provistos de obturadores de madera, metal oconcreto, o bien de compuertas operadas con mecanismos manuales o elctricos,que son utilizados para controlar el gasto. Es conveniente evitar la entrada a la obrade toma de cuerpos flotantes tales como; basura, peces, etc., instalando para ellorejillas. El diseo de las rejillas esta regido por la separacin de barras, que esfuncin del tamao de los objetos que se pretende evitar entren y que puedan daarlas instalaciones hacia aguas abajo.

La cmara de decantacin o antecmara es una zona de acceso al crcamo debombeo, localizada entre la estructura de entrada y el crcamo de bombeo. Suubicacin es muy importante desde el punto de vista hidrodinmico, porque sirve derepartidor de flujo, como transicin de plantillas entre la estructura de entrada y la delcrcamo; a travs de ella se puede disminuir la velocidad de llegada al crcamo,reduciendo los problemas de vrtices y acarreo de azolve. En algunos casos, ante lapresencia de azolve, la plantilla de la cmara de decantacin se localiza a un nivelinferior que la plantilla del crcamo de bombeo.

En algunos proyectos, formando parte de la obra de toma, requiere de unosconductos ya sea de seccin cuadrada o rectangular que comunica la estructura deentrada con la cmara de decantacin o directamente al crcamo. Su existencia seorigina debido a la separacin en que se encuentran la estructura de entrada y elcrcamo de bombeo.

Como ejemplos de obra de toma directa a continuacin se describen algunas deellas, mostrndose en forma esquemtica en corte longitudinal.

La obra de toma directa I es la mostrada en la Figura 3.9, consiste en excavar unaplataforma en una de las mrgenes del escurrimiento, que puede ser protegida conmampostera o concreto reforzado; en dicha plataforma se aloja el equipo debombeo. El canal de llamada hacia la succin de la bomba se localiza en unaescotadura a un nivel inferior que tambin se encuentra protegido

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Figura 3.9 Obra de toma directa I

La obra de toma directa II, mostrada en la Figura 3.10 requiere de un mnimo de obracivil, consiste en una estructura que puede ser de madera, acero o concretoreforzado, la cual soporta el equipo de bombeo, su nivel de piso se localiza porencima del nivel de aguas mximas extraordinarias.

Figura 3.10 Obra de toma directa II.

La obra de toma directa III, mostrada en la Figura 3.11, consta de un crcamo debombeo vertical conectado a la estructura de entrada por medio de conductos deconcreto reforzado o por tubera de acero. La estructura de entrada cuenta conrejillas; en este caso el control del gasto es mediante los equipos de bombeo. Sepuede utilizan muescas en las rejillas para instalar agujas y poder aislar el conducto ycrcamo por alguna eventualidad.

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Figura 3.11 Obra de toma directa III.

La obra de toma directa IV, Figura 3.12, la cual cuenta con compuertas deslizantes otipo Miller para el control del gasto, ya que la conduccin puede ser por medio de unatubera de acero, tubera de concreto prefabricada, un conducto de concretoreforzado o un canal a cielo abierto.

Figura 3.12 Obra de toma directa IV

La obra de toma directa V, Figura 3.13, muestra las compuertas deslizantes,conductos de concreto y conduccin en un canal a cielo abierto.

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a su anclaje en la orilla. En las figuras 3.15 y 3.16 se muestran esquemas de estostipos de obra de toma.

Para el caso en que la altura de bombeo sea mayor a 6.00 m y no posible utilizaralguna de las estructuras descritas, la solucin puede ser alojar los equipos de

bombeo en una estructura mvil que contenga a los equipos de bombeo, la cual sedeslice en la ladera de acuerdo a los niveles que se presenten en el escurrimiento.

Figura 3.15 Obra de toma flotante

Figura 3.16 Obra de toma flotante

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Anlisis y diseo estructural

Para la obra de toma directa de la Figura 3.9, el talud de excavacin deber seraquel que garantice la estabilidad del mismo, incluyendo las cargas a que va a estarsujeto, como es el peso de la bomba-motor y de las tuberas. El talud de excavacin

se puede proteger mediante un zampeado de piedra brasa o con concreto reforzado,dependiendo del tipo de terreno sobre el que se tiene la obra de toma, el cual serdefinido por el estudio de mecnica de suelos. Si el terreno lo requiere, se puedencolocar muros de contencin para detener el talud, se deben colocar las silletas yatraques necesarios.

La obra de toma mostrada en la Figura 3.10 es una plataforma de concreto reforzadoapoyada en trabes y columnas, de concreto reforzado o acero. Este tipo deestructura es semejante al de los pozos en zonas de inundacin.

Para el tipo de obra de toma mostrada en la figura 3.11 se requiere de un estudio demecnica de suelos a fin de determinar el procedimiento de construccin msadecuado. Normalmente, las acciones a que se encuentran sujetas la estructura deentrada y el crcamo son su peso propio, carga de la bomba-motor, peso de lastubera con agua, empuje del relleno exterior, generalmente con el suelo saturadohasta un determinado nivel, empuje vertical del nivel fretico (flotacin).

El crcamo de bombeo puede ser de seccin circular o rectangular, dependiendo delas condiciones topogrficas. Para el anlisis de un crcamo de seccin rectangular,se utilizarn los lineamientos para recipientes superficiales indicados en el Libro, deDiseo Estructural de Recipientes del Manual de Agua Potable Alcantarillado ySaneamiento.

La obra de toma directa como la mostrada en la Figura 3.12, en donde suestructuracin se realiz por medio de una transicin, de entrada generalmente deseccin trapecial a rectangular, o simplemente rectangular de concreto reforzado, lacual sirve para apoyo de la rejilla; esta transicin se encuentra sujeta el empuje delterreno, desde un valor cero al inicio de la transicin, si es de seccin trapecial contalud igual al ngulo de reposo el terreno, hasta el valor mximo en el extremo de lamisma, donde el talud de la transicin es vertical.

Al final de la transicin de entrada se localizan la losa de maniobras, el pasillo y lascompuertas deslizantes para cerrar la conduccin. Debido a que esta estructura esde dimensiones y rigidez diferente a la transicin, se recomienda desligarlas,mediante una junta de dilatacin, con banda de PVC para evitar el deslave delmaterial del terreno. (Figura 3.13)

Las acciones que se presentan para el anlisis de esta estructura son las siguientes: Cargas permanentes

Carga viva

Fuerza producida por el mecanismo elevador de la compuerta

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Las cargas permanentes son el peso propio y las cargas de barandales yescaleras.

La carga viva que se considera es la de pasillos y escaleras, (se recomiendausar el valor de 4,903 Pa (500 kg/m)).

La fuerza producida por el mecanismo elevador se vala considerando el peso de lacompuerta, el peso del vstago y la fuerza de friccin entre la compuerta y el muro,esta ltima se calcula con la siguiente expresin:

F R=

donde:F es la fuerza vertical para levantar la compuerta, en toneladas

es el coeficiente de friccin entre el concreto y el acero

A es el rea de la compuerta, en mE1 es el empuje del agua en la parte superior de la compuerta, en Pa (1ton/m =9,806 Pa)

E2 es el empuje del agua en la parte inferior de la compuerta, en Pa (ton/m)

R es la reaccin total sobre la compuerta, en N (1ton=9,806N)

El mecanismo se apoya generalmente, en una losa en cantiliver, la que se deberdisear para esta carga, adems de las indicadas anteriormente.

Cuando es necesario recurrir a las obras de toma flotantes (figs. 3.15 y 3.16), en eldiseo de la balsa o estructura que ha de soportar los equipos de bombeo o losdispositivos de succin, se recomienda utilizar varias cmaras independientes con elfin de evitar que se hunda, adems se deben tomar en cuenta: el peso propio de laestructura, el peso de los equipos, peso de los dispositivos de succin y el empujedel agua.

El diseo de los elementos se realizar de acuerdo al libro editado por la CNA"Diseo Estructural de Recipientes" del Manual de Agua Potable, Alcantarillado ySaneamiento.

3.2.2 Captacin en barrajeEl barraje es una estructura provisional y rudimentaria que obtura el cauce en pocade estiaje para mantener un nivel de agua y alimentar una obra de toma; en pocade avenidas es posible que se destruya, pero al terminar sta poca se reconstruye

2

1 EEAR+

=

R

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nuevamente para utilizarlo en el siguiente estiaje. Su uso se recomienda en caucespequeos.En la figura 3.17se muestran algunos tipos de barrajes construidos con madera ypiedras, perpendiculares al cauce. Su estructura se construye de acuerdo a losmateriales locales existentes, cuidando de que el barraje sea impermeable.

Figura 3.17 Tipos de Barrajes

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3.2.3 Captacin en diqueEn escurrimientos perennes, cuando en poca de estiaje el nivel del agua no alcanzaa cubrir la toma y el barraje es una estructura dbil, lo ms conveniente es laconstruccin de un dique.

Los diques son estructuras definitivas construidas para obstruir el cauce, que se hansimplificado en cuanto a los elementos que la componen, incorporando la obra detoma, el vertedor de excedencia y el desage de fondo dentro del propio cuerpo deldique. Se han estudiado una variedad muy amplia de diques en los que en lamayora se pretende captar el agua libre del acarreo propio del ro.

Diseo geomtrico

En la Figura 3.18 se muestra un tipo de dique que cuenta con una escotaduraintermedia en la cortina vertedora, la cual aloja un conducto a lo largo del cuerpo dela cortina, provisto de una rejilla con sus barras paralelas al sentido de la corriente. El

agua se capta al pasar encima de la rejilla, por lo que el gasto derivado depende delrea del conducto, del tirante dentro del conducto, del rea de la rejilla y del gasto dela corriente.

Este tipo de captacin puede ser adaptado en ros con fuerte pendiente, en aguascon poco contenido de finos y en ros con variaciones de gasto estacionales.

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Figura 3.18 Dique con escotadura

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En la Figura 3.19 se tiene una obra de toma que no requiere de mecanismo algunopara funcionamiento y operacin; bsicamente consiste en una cortina vertedora conuna caja provista de rejillas verticales instaladas en su permetro, con lo cual se lograderivar un gasto aproximadamente constante y continuo. Esta obra de toma cuentacon tuberas provistas de vlvulas que permiten la limpieza y desage de fondo.

Figura 3.19 Obra de toma en dique

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En la Figura 3.20 se muestra un dique con la captacin, limpieza y desage de fondobasado en tuberas y vlvulas alojadas en el cuerpo de la cortina. Se indican dosposibles soluciones para proteger la obra de toma de la entrada de azolve.

Figura 3.20 Dique con obra de toma

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Anlisis y diseo estructural

Las acciones que se deben considerar en el diseo de un dique son principalmenteel peso propio, el empuje hidrosttico y la subpresin. Unos de los aspectos msimportantes en el diseo de este tipo de estructuras es la revisin por volteo y por

deslizamiento, as como el nivel de desplante y la capacidad de carga del terreno.Estos dos ltimos conceptos debern obtenerse de un estudio de mecnica desuelos. Los factores de seguridad a volteo y deslizamiento, asimismo para el diseodel conducto y muros de soporte de rejillas, acciones y esfuerzos permisibles yconsideraciones de anlisis se debern seguir las recomendaciones del libro de"Diseo Estructural de Recipientes", del Manual de Diseo de Agua Potable,Alcantarillado y Saneamiento.

3.3 CAPTACIN EN PRESA DERIVADORALas presas, en trminos generales son aprovechamientos hidrulicos superficialesque cumplen el propsito de facilitar la captacin del agua en corrientes de bajo

tirante, para diversos usos. Cuando el agua de un ro se requiere aprovechar, peroste por sus bajos niveles no permite captarlas de manera apropiada, es posible laconstruccin de una pequea cortina que interrumpa el paso de la corriente en laseccin elegida, con objeto de que los niveles mencionados aumenten, permitiendode esta manera su captacin, a este aprovechamiento se le denomina presaderivadora.

Una presa derivadora cuenta con las siguientes estructuras auxiliares cortinavertedora, obra de toma, obras de control y obra de desvo. En este captulo seaborda exclusivamente la obra de toma en lo referente a su diseo hidrulico y deoperacin.

La obra de captacin en ros que quiz ofrezca el mejor funcionamiento es la presaderivadora. Bsicamente consiste en una cortina vertedora, la obra de toma y laestructura de limpia.

La cortina vertedora construida para obturar el cauce conserva un nivel de aguaconstante aguas arriba de la presa, en cualquier poca del ao, lo que permitedisear la obra de toma con esta caracterstica, dimensionando los conductos ydems elementos en funcin del gasto a derivar.

La obra de toma esta formada por orificios alojados en un muro vertical obturados

con compuertas y operados con mecanismos manuales o elctricos. Con el fin deevitar la entrada del azolve a la obra de toma se construye una estructura de limpia odesarenador, la cual esta localizada hacia aguas abajo y su plantilla por debajo delumbral de la obra de toma para dar cabida a un volumen para azolve. La limpieza dela estructura se logra mediante la apertura de compuertas radiales.

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El gasto de extraccin en la obra de toma se controla mediante compuertas, por logeneral del tipo deslizante, operadas con mecanismos elevadores desde la coronadel muro; cuando el gasto es grande se pueden emplear compuertas radiales.

3.3.1 Anlisis Hidrulicos

Este rubro tiene diversas componentes:

a) Definicin de los niveles de operacin mnimo y mximo en el sitio de laderivadora para establecer los niveles de operacin y la carga hidrulica paraobtener el caudal necesario.

b) Dimensiones del orificio

c) Gasto mximo que pasa por las compuertas

d) Capacidad del mecanismo elevador

e) Diseo de la transicin que une la salida de la toma con la descarga

Dimensionamiento del orificio

El conducto de la obra de toma generalmente atraviesa el muro que la separa deldesarenador y las laderas del cauce, por lo cual, el anlisis hidrulico consiste enconsiderar un orificio con tubo corto. La expresin que controla el funcionamiento deun orificio es:

( )Q CA gh= 2 1 2/ donde:

Q es el gasto de derivacin o gasto normal en la toma, en m3/s.C es el coeficiente de descarga para el orificio particular analizado.A es el rea del orificio, en m2.g es la aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2.h es la carga hidrulica sobre el orificio, en m.

El Gasto mximo que puede pasar por las compuertasse define en funcin de losrequerimientos y la seguridad del canal aguas abajo, se tienen casos en los cuales elcanal de descarga de la toma es utilizado para desviar escurrimientos en excesodurante la temporada de lluvias, en cuyo caso el diseo de la derivadora debe incluirla operacin con dicha descarga mxima, es decir, el caudal de descarga Q

considerando la carga h correspondiente a la avenida que define el nivel del NAMEen la presa. En cualquier caso, la toma debe estar por encima de la mximacapacidad del desarenador en el punto de la bocatoma.

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Determinacin de la capacidad del mecanismo elevador

La capacidad del mecanismo elevador (CME) puede definirse aplicando la siguienteecuacin:

CME KE Peso compuerta Peso Vastago= + +

donde:K E son las fuerzas de friccin producidas en la gua de las compuertasK es el coeficiente para valuar la friccin, puede considerarse para efectos dediseo de 0.35 para compuertas de fierro fundido con asientos de fierro pulidosa mquina.E es el empuje hidrosttico que acta en la hoja de la compuerta en N (kg)

Para mantener limpia la obra de toma, se disean estructuras desarenadoras queatrapan los sedimentos arrastrados por los ros y que de manera peridica sonevacuados hacia el cauce, aguas abajo de la presa, mediante juego de compuertas

desiadas para tal fin (figura 3.21). La estructura consiste en un canal llamadodesarenador, que se forma por dos paredes verticales paralelas, una separa el caucedel ro y el propio desarenador y la otra, el desarenador de la ladera del ro, y es enla ltima en donde se aloja la obra de toma.

Figura 3. 21 Obra de toma en presa derivadora

Hidrulica del desarenador

Para poder realizar de la mejor forma la limpieza del desarenador es recomendable

que los ejes del desarenador y la corriente sean paralelos y el correspondiente a laobra de toma, perpendicular al mismo. Es por tanto necesario que la cota de laplantilla del desarenador est por debajo de la cota del umbral de la obra de toma,evitando con ambas medidas el paso del material que arrastra y deposita el rohacia la descarga, no existe un criterio establecido para definir la diferencia entrecotas, por lo general esta se propone de 80 cm.

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En general el diseo del canal del desarenador se reduce al clculo de ancho, dadaslas velocidades del agua y la elevacin de la cresta de la cortina vertedora. De laecuacin de continuidad se tiene que:

donde:A es el rea hidrulica del canal desarenador, en m2.Q es el gasto mnimo normal que circula, en m3/s.V es la velocidad de la corriente, en m/s.y por otro lado, para el canal desarenador (seccin rectangular):

A bd =

donde:b es el ancho del canal, en m.d es el tirante de agua asociado al gasto considerado, m

El gasto mnimo normal corresponde al gasto de derivacin en condiciones normalesde operacin. Cuando la toma opera con caudales menores al normal, se presentauna condicin favorable en el desarenador al reducirse la velocidad del agua.

Otra condicin de operacin interesante es aquella que permite conocer lacapacidad de autolimpieza del desarenador. Se considera que el azolve se acumulafrente a la obra de toma, entonces se cierran sus compuertas y se abren las del

desarenador, provocando un rgimen tan rpido que permita al agua incrementar supotencial de arrastre, cuidando de no llegar al extremo de erosionar o socavar elfondo del canal o el pie de la estructura.

La capacidad de erosin y socavacin puede ser controlada mediante la seleccin dela pendiente adecuada que no cause los problemas mencionados; al respecto, dosalternativas que suelen ocurrir son:

a) Gasto normal de derivacin: esta es la condicin ms desfavorable.

b) Gastos mayores al normal de derivacin: para estos gastos se incrementa

la capacidad de arrastre de la corriente en el desarenador, siendo msfavorable en lo relativo a la operacin del desarenador.

En cualquier caso, se debe calcular la pendiente adecuada en el desarenador yrevisar la velocidad del flujo utilizando el siguiente procedimiento:

Conocidos Q (gasto normal de derivacin), b (ancho de la plantilla del canaldesarenador) y v (velocidad adoptada) para producir arrastre.

V

QA =

d

Ab =

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Para el caso (a), de continuidad: Q = VA

Como se trata de una seccin rectangular: A bd =

El caudal es : Q Vbd =

De donde: d Q Vb= /

El permetro mojado es: P b d= + 2

Y el radio hidrulico r es: )2/( dbbdPAr +==

Aplicando la expresin de Manning, la pendiente S del canal se despeja como:

Donde "n" es el coeficiente de friccin de Manning.

Para el caso (b) se tiene:

Siendo "d" la altura del orificio en el canal desarenador.

El permetro mojado (P):P b d= + 2

El radio hidrulico:

La pendiente calculada ser correcta cuando la velocidad se encuentre en elintervalo de velocidades mxima y mnima, definidas para el desarenador. Lasvelocidades recomendadas en funcin de las experiencias ganadas, consideran quevelocidades de arrastre que no causan problemas de erosin en el desarenador,varan de 2.5 m/s a 4 m/s (ref. 7).

Y la velocidad se calcula con:

( )V n S r = 1 1 2 2 3/ / /

3.3.2 Diseo geomtricoA continuacin se describen diferentes arreglos de obras de toma y estructuras delimpia que estn asociadas a presas derivadoras.

( )232rVnS =

bdA =

( )dbbdPAr 2// +==

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La obra de toma que utiliza las compuertas comerciales de menor tamao, circularestipo Miller se muestra en la figura 3.22, instaladas en un muro, operadasmanualmente, obturan orificios circulares a partir de los cuales se inicia laconduccin. La estructura de limpia constituidas por dos muros verticales quesoportan la compuerta radial la cual se opera desde la losa de maniobras.

A medida que se requiere un mayor gasto, las dimensiones de los orificios varan enforma y tamao, pueden ser cuadrados o rectangulares.

La estructura que aloja estos orificios consiste en un muro vertical a partir del cualinicia la conduccin a un canal a cielo abierto. La estructura de limpia localizadahacia aguas abajo esta formada por dos muros verticales, uno de los cules es laprolongacin del muro que contiene los orificios de la obra de toma, ambos murossoportan la compuerta radial; nicamente se cuenta con acceso peatonal a la zonade operacin de las compuertas.

Figura 3.22 Obra de toma con compuertas deslizantes

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Otro ejemplo de obra de toma y estructura de limpia que forman parte de la presaderivadora se muestra en la figura 3.23, la cual consiste en orificios localizados en unmuro vertical y obturados por compuertas deslizantes; entre los orificios de la obra detoma y el inicio de la conduccin cuenta con conductos que permiten formar unaplataforma, a la elevacin de los mecanismos de operacin de las compuertas

deslizantes de la obra de toma y de los malacates para las compuertas radiales de laestructura de limpia, permitiendo el acceso peatonal y vehicular. En cuanto a laestructura de limpia, esta cuenta con muescas para instalar agujas y as poderrealizar el mantenimiento o reparaciones en la compuerta. De acuerdo a lascaractersticas geolgicas del sitio donde se localice, es necesario se instalenlloraderos.

Figura 3.23 Obra de toma y estructura de limpia

En la figura 3.24 se muestra una obra de toma formada por orificios obturados porcompuertas deslizantes. La estructura de limpia cuenta con compuertas radiales yuna pantalla de concreto para la proteccin de las compuertas. En este esquema, lapresa derivadora se utiliza tambin para comunicar ambas mrgenes del ro,requirindose de un puente carretero en el canal de salida de la estructura de limpia.

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Figura 3.24 Obra de toma con compuerta deslizante y conduccin a un canal

3.3.3 Anlisis y diseo estructuralComo se describe en el inciso anterior, la estructuracin de la

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