UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

E. P. I. L. A. S.DIPLOMADO EN GESTION DE SERVICIOS Y PROYECTOS EN AGUA Y SANEMAMIENTOCAPTACIONDE MANANTIALES M.Cs. Francisco Huamn VidaurreCajamarca, Febrero de 2013

CAPTACION DE MANANTIALES DE AGUA SUBTERRANEA

GENERALIDADES DEFINICIONESAfloramiento: Punto o zona por donde fluye el manantial hacia la superficie. Puede ser concentrado o difuso.

Rendimiento: Medicin del flujo del manantial expresado generalmente en l/s, tanto en estiaje como en perodo lluvioso.

Aleros: Parte de la estructura de la captacin que acta como barrera impermeable, marca el lmite lateral de la captacin y permite que el agua sea conducida a la cmara hmeda.

rea de captacin: rea comprendida entre la cmara hmeda, los aleros y la zona o punto de afloramiento.

rea de proteccin: Sector circular comprendido entre la captacin y un radio de 100 a 150 m hacia atrs como medida de recarga del acufero.

Barraje: Presa que permite concentrar el caudal del manantial para conducirlo a la cmara hmeda.

Continuacin.

Cmara hmeda: Compartimiento donde se colecta toda el agua captada.

Cmara seca: Compartimiento donde se ubican las vlvulas y accesorios de control de la captacin.

Lmite de proteccin: Permetro alrededor de la caja de captacin que debe ser preservada como proteccin a la contaminacin.

Material permeable (filtro): Grava y arena clasificadas por donde discurre el agua entre el punto de afloramiento y la cmara hmeda.

Continuacin.Rebose: Sistema que permite evacuar el excedente de agua hacia el exterior de la captacin.

Sellado: Capa de concreto o material impermeable que se dispone sobre el material permeable, para evitar la contaminacin de las aguas colectadas.

Ventana: Orificio (orificios) por donde fluye el agua hacia la cmara hmeda.

Zanja de coronacin: Es un canal perimetral ubicado en la parte superior de la captacin, que permite colectar las aguas superficiales producto de las precipitaciones. Protege a la captacin de contaminacin por aguas superficiales.

MANANTIAL RENDIMIENTOLa carencia de registros hidrolgicos nos obliga a realizar una concienzuda investigacin de las fuentes. Lo ideal sera que los aforos se realizarn en temporada crtica de rendimientos que corresponde a los meses de estiaje y lluvias, con la finalidad de conocer los caudales mximos y mnimos. El caudal mnimo debe ser mayor al valor del consumo mximo diario (Qmd). El Qmd representa la demanda de la poblacin al final de la vida til considerado en el proyecto, siendo por lo general, de 20 aos para las obras de agua potable.

MANANTIAL CALIDADLos requerimientos bsicos para que el agua sea potable:

Estar libre de organismos patgenos causantes de enfermedades.No contener compuestos que tengan un efecto adverso, agudo o crnico sobre la salud humana.Ser aceptablemente clara (baja turbidez, poco color, etc.)No salina.Que no contenga compuestos que acusen sabor y olor desagradables.Que no cause corrosin o incrustaciones en el sistema de abastecimiento de agua, y que no manche la ropa lavada con ella.En cada pas existen reglamentos en los que se consideran los lmites de tolerancia en los requisitos que debe satisfacer una fuente. Con la finalidad de conocer la calidad de la fuente que se pretende utilizar se deben realizar los anlisis fisicoqumico y bacteriolgico y conocer los rangos tolerables de la OMS.

CRITERIOS DE DISEO

El diseo hidrulico y dimensionamiento de la captacin dependern de la topografa de la zona, de la textura del suelo y del tipo de manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el rendimiento del manantial, ya que cualquier obstruccin puede tener consecuencias fatales; es decir, el agua crea otros conductos y el manantial desaparece.

Es importante que se incorporen caractersticas de diseo que permitan desarrollar una estructura de captacin que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentacin y facilidad de inspeccin y operacin.

Partes principales de una captacin de ladera

Constar de tres partes: La primera, corresponde a la proteccin del afloramiento; la segunda, a una cmara hmeda para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cmara seca que sirve para proteger la vlvula de control. El compartimiento de proteccin de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensin del rea adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando as sellado para evitar la contaminacin. Junto a la pared de la cmara existe una cantidad de material granular clasificado (filtro), que tiene por finalidad evitar la tubificacin del suelo de la fuente de agua. La cmara hmeda tiene una canastilla de salida para conducir el agua requerida y un cono de rebose para eliminar el exceso de produccin de la fuente.

CAPTACION DE MANANTIAL DE LADERA

VISTA EN 3 D

CAPTACION DE MANANTIAL DE LADERA

DISEO HIDRAULICO 1) Clculo del espesor del filtro (L)Es necesario conocer la velocidad de pase y la prdida de carga sobre el orificio de salida (figura 1).

H = Hf + ho (1)Donde:Hf : prdida de carga entre el afloramiento y la caja de captacin (a travs del filtro)ho : carga del orificio de entrada

En la prctica se recomienda un valor de H = 0.40m

.0 12hoHHfL= espesor filtroFig. 1.- Orificios de entrada y espesor del filtro Afloramiento filtroCmara hmedaD

H = Hf + ho (1)Donde:Hf : prdida de carga entre el afloramiento y la caja de captacin (a travs del filtro)ho : carga del orificio de entrada

En la prctica se recomienda un valor de H = 0.40m .

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 0 y 1, se obtiene:.

Considerando los valores de Po, Vo, P1 y h1 igual a cero, se tiene:Donde:

ho = carga del orificio de entradaV1 = velocidad terica en m/s.g = Aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2).Q1 = Q2Cd x A1 x V1 = A2 x V2Siendo A1 = A2( 2 )Mediante la ecuacin de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene:

( 3)Donde:V2 = Velocidad de pase (se recomienda valores menores o iguales a 0,6 m/s).Cd = Coeficiente de descarga en el punto 1 (se asume 0,8).ho es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase.

En la figura 1, se observa: H = Hf + ho

Donde Hf es la prdida de carga que servir para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captacin ( L ).L = espesor del filtro.

Hf = H hoHf = 0.30 x L (recomendable) L = Hf / 0.30

(4)Reemplazando la expresin (3) en la expresin (2) , para un valor de Cd = 0.80, se obtiene:

2 ) Ancho de la pantalla (b)Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el dimetro y el nmero de orificios que permitirn fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cmara hmeda. Para el clculo del dimetro de los orificios de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones: Qmx. = V A Cd (5) Qmx. = A Cd (2 g ho ) ^1/2 (6) Donde: Q mx. = rendimiento mximo V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor mximo recomendado de 0,60 m/s). A = rea del orificio Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8). g = Aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2) h o= Carga sobre el centro del orificio (m).

El valor de A resulta:3) Nmero de orificios (NA): Se recomienda usar dimetros (D) menores o iguales de 2. Si se obtuvieran dimetros mayores, ser necesario aumentar el nmero de orificios (NA), siendo:Considerando la carga sobre el centro del orificio el valor de A ser:El valor de D ser definido mediante:(8)(9)(7)

Fig. 2. Distribucin de los orificios de pantalla frontalPara el clculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribucin del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la fig.2.

Siendo:Conocido el nmero de orificios y el dimetro, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuacin: b = 2(6D) + NA D + 3D (NA 1) b = 12 D + NAD + 3 NAD 3D b = 9D + 4 NAD (10) Donde: b = Ancho de la pantalla D = Dimetro del orificio NA = Nmero de orificiosD el dimetro del orificio de entradab el ancho de la pantalla.

Fig. 3.-Altura (Ht) y longitud (B) de la cmara hmedaBcHHcDcAcdHrBHt

4) Altura (Ht) y longitud (B) be la cmara hmeda

El volumen se expresa segn:Ht b B = Qmx tiemp. ret. (11)Donde: Ht : altura cmara hmedab : ancho cmara hmedaB : longitud cmara hmedaQmx: rendimiento mximo manantialtiemp. ret. : tiempo retencin

Altura de la cmara hmeda (Ht)En base a los elementos identificados de la figura 3, la altura total de la cmara hmeda se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Ht = Ac + Dc + Hc + H +Bc (12) Donde:

Ac = Altura mnima de 10 cm, que permite la sedimentacin de la arena. Dc = Dimetro de la canastilla. Hc = Altura de agua sobre la canastilla. H = Desnivel mnimo entre el nivel de ingreso del agua y el nivel de agua de la cmara hmeda (mn. 5 cm.). Bc = Borde libre (mn. 30 cm).Se realiza el clculo del volumen de la cmara, teniendo en cuenta el tiempo de retencin ( 3 - 5 minutos ).

La carga requerida (Hr) para que el gasto de salida de la captacin pueda fluir por la tubera de conduccin, tiene la siguiente expresin:Se recomienda una altura mnima de Hr = 30 cmFig. 4.-Ubicacin de la tubera

5) Dimensionamiento de la canastillaPara el dimensionamiento se considera que el dimetro de la canastilla (Dc)debe ser dos veces el dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (d); que el rea total de ranuras (Ar) sea el doble del rea de la tubera de la lnea de conduccin (A); y que la longitud de la canastilla (Lc) sea mayor a 3 Dc y menor de 6 Dc.Conocidos los valores del rea total de ranuras y el rea de cada ranura se determina el nmero de ranuras:Fig.5.- CanastillaLc(14)dDc

El rea total de ranuras (Ar) no sebe ser superior al 50% del rea lateral de la canastilla.Tubera de ventilacinSe recomienda un tubo de 2 de dimetro, como mnimo, sobresaliente por lo menos 50 cm en cuyo extremo se colocar un sombrero de ventilacin o un codo a 180.Se exige proteger el manantial con un cerco perimtrico y una cuneta de drenaje superficial que impida el ingreso de agua de escorrenta superficial hacia el rea de la obra.

6) Tubera de rebose y limpiaDonde:D = Dimetro en pulgadasQ = Gasto mximo de la fuente en l/sS = Prdida de carga unitaria en m/m.En la tubera de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5 % y considerando el rendimiento mximo, se determina el dimetro mediante la ecuacin de Hazen y Williams (para C=140).(15)

DISEO ESTRUCTURALPara el diseo es-tructural se conside-ra el muro sometido al empuje de la tierra cuando la caja est vaca. Si est llena, el empuje hidrosttico tiene un componente contraria al empuje de la tierra, favoreciendo de esta manera la estabilidad del muro.Las cargas consideradas son: el peso propio, el empuje del suelo y la subpresin.Fig. 6.- Idealizacin estructural

FIG. 7.-SISTEMA DE FUERZASX3X2X1h/3PW1W2W3

Empuje del suelo sobre el muro (P)

Para garantizar la estabilidad del muro, se debe verificar que la carga unitaria sea igual o menor a la capacidad de la carga del terreno; mientras que para garantizar la estabilidad del muro al deslizamiento y al volteo, se debe-r verificar un coeficiente de seguridad no menor a 1,6.Donde: Cah = Coeficiente de empuje s = Peso especfico del suelo tn/m3 h = altura del muro sujeto a presin del suelo en m = ngulo rozamiento interno del suelo (16)(17)

Momento de vuelco (Mo)Mr = Wi Xi

Donde: W i= Peso i de la estructura Xi = Distancia i al centro de gravedadMo = P Y Momento de estabilizacin (Mr)Para verificar si el momento resultante pasa por el tercio central se aplica la siguiente frmula:(18)(19)(20)

Chequeo por vuelco, por carga mxima unitaria y por deslizamientoEl mayor valor que resulte de P1 y P2 debe ser menor o igual a la capacidad de carga del terreno. Por vuelco: Donde Cdv deber ser mayor que 1.6Por mxima carga unitaria:Por deslizamiento: (21)(22)(23)

FIG. 8.- MANANTIAL DE FONDO

Partes principales de una captacin de manantial de fondoSi se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captacin podr reducirse a una cmara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constar de dos partes: La primera, la cmara hmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; la segunda, una cmara seca que sirve para proteger las vlvulas de control de salida y desage. La cmara hmeda estar provista de una canastilla de salida y tuberas de rebose y limpia.

Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podr construir varias cmaras de las que partan tubos o galeras hacia una cmara de recoleccin de donde se inicie la lnea de conduccin. Adyacente a la cmara colectora se considera la construccin de la cmara seca cuya funcin es la de proteger la vlvula de salida de agua.

Fig. 9.- Captacin de fondo

DISEO HIDRAULICO1) Ancho de la pantalla

El ancho de la pantalla se determina sobre la base de las caractersticas propias del afloramiento, quedando definido con la condicin que pueda captar la totalidad del agua que aflore del subsuelo.

2) Altura total de la cmara hmeda (Ht)

Para determinar la altura total de la cmara hmeda (Ht) se considera los elementos identificados, los cuales se muestran en la figura 9.

Ht = A + B + H + E (24) Donde: A = Altura del filtro (se recomienda de 10 cm) B = Dimetro de la canastilla H = Altura de agua sobre la canastilla (mnimo 5 cm) E = Borde libre (se recomienda como mnimo 30 cm)

Para determinar la altura de la captacin, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captacin pueda fluir por la tubera de conduccin.

La carga requerida es determinada mediante la ecuacin (13):

Donde: Hr : Carga requerida en m.Qmd : Caudal mximo diario.g : Aceleracin de la gravedad igual 9,81 m/s2.A : Area de la tubera de conduccinEl dimensionamiento de la canastilla y de la tubera de limpia y rebose, es la misma que para la captacin lateral..

.DISEO ESTRUCTURAL

En este caso se hace el chequeo por carga mxima unitaria.

El filtro deja pasar el agua sin lavado de los finos del acufero. Su permeabilidad debe ser por lo menos 20 veces superior al del suelo que protege.El filtro puede estar conformado por uno o ms estratos de diferente permeabilidad.FILTRO

Los parmetros necesarios para el diseo del filtro se obtienen de la curva granulomtrica del suelo a proteger (S)y del filtro (F).FSFig. 10.- Granulometra filtro-suelo

Si se cumplen las condiciones anteriores, se determina luego le eficiencia del filtro aplicando la ley de Darcy.

Q = K i A (29)

Q : rendimiento del filtro (caudal)K : permeabilidad equivalente i = Hf/L (ver fig. 1) A : rea del filtro perpendicular al flujo

El rendimiento del filtro debe ser igual o sensiblemente superior al rendimiento mximo del manantial.

(30)

CONSTRUCCION DE CAPTACIONLa captacin es una estructura de concreto que sirve para proteger al manantial y recolectar el agua para abastecer a la poblacin. Asimismo, debe cumplir con las especificaciones de estructuras apoyadas de concreto para almacenamientos de lquidos en lo referente a ubicacin, encofrados y concretos.

Para el buzn de inspeccin se utiliza preferentemente la tapa metlica del tipo sanitaria. La ubicacin y dimensin del buzn adecuada para facilitar las labores de inspeccin, limpieza y desinfeccin.

Se construir el canal de escurrimiento, aguas arriba de la captacin a fin de evitar el ingreso de aguas superficiales hacia la captacin. Asimismo, se acondicionar un canal para evacuar la salida de la tubera de desage (limpia y rebose).

CONSTRUCCION DE CAPTACION EN LADERA

Aspectos GeneralesLa captacin en manantial de ladera es una estructura que permite recolectar el agua del manantial que fluye horizontalmente, llamado tambin de ladera.Cuando el manantial es de ladera y concentrado, la captacin consta de tres (3) partes: La primera, corresponde a la proteccin de afloramiento; la segunda, a una cmara hmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cmara seca que sirve para proteger a la vlvula de salida.

Zona de AfloramientoDefinir en campo las caractersticas de los componentes de la captacin, en previsin a desastres naturales en la zona.Deber construirse muros en ala que sirvan de pantalla a las filtraciones subsuperficiales, las mismas que sern obligadas a ingresar en la cmara hmeda.Se realizar la impermeabilizacin del fondo del terreno excavado con una pendiente mnima de 2%, comprendido entre la cmara hmeda y las filtraciones a fin de que stos discurran sobre aqul, y puedan ingresar en ella a travs de los orificios perforados en el muro respectivo.Se colocar material clasificado en dos (2) capas. La capa inferior constituida por piedras con un dimetro mnimo de 2 colocadas hasta una altura de 5 cm por encima del orificio superior de entrada a la cmara recolectora. La capa superior, ser de material granular de espesor de a 1 hasta cubrir completamente el nivel de las filtraciones y la excavacin .Luego, se proceder al sellado con concreto 1:4:8 de espesor no menor de 5 cm cubriendo el rea comprendida entre los muros, y el comienzo de las excavaciones.

Para proteger la zona de afloramiento del agua se realizarn las siguientes acciones:

Cmara hmeda (colectora)

Es una estructura de concreto de seccin rectangular. En esta cmara se recolectar el agua del manantial y est prevista de una canastilla, por donde saldr el agua y pasar a la vlvula de salida de la cmara seca, de una tubera de limpia y un cono de rebose que se instalar en un nivel ms bajo que los puntos de afloramiento.

Cmara seca (de vlvulas)

Es una estructura de concreto de seccin rectangular. Estar separado de la cmara seca por un muro de concreto de 0,60 m de altura y 0,15 m de espesor. Se instalar una vlvula de control para el registro del agua de la lnea de conduccin..

Ubicacin

Ser ubicada lo ms cerca posible al afloramiento del manantial de ladera, con la proteccin necesaria ante la eventualidad de desastres naturales.

Excavacin

La excavacin para los cimientos tendr una profundidad mnima de 0,80 m.Se remover el material de relleno que quede adyacente al afloramiento mismo, de tal manera que el acufero quede completamente descubierto.Se realizarn las excavaciones necesarias, a fin de garantizar la estabilidad de las zonas de afloramientos.Por ningn motivo se utilizarn explosivos o detonantes para las excavaciones..

Cimientos

Debern cumplir con la finalidad estructural de estabilidad y, en caso que los planos indiquen, servirn de pantallas interceptoras de corrientes subsuperficiales de agua.

Sellados

Todas las excavaciones debern ser rellenadas y compactadas, si fuera necesario selladas con concreto pobre.

Prueba hidrulica

Se llenar de agua la cmara hmeda y se observar atentamente las fugas. Debido principalmente a la porosidad del concreto.La prueba durar 24 horas; si no se producen filtraciones se dar por terminada la prueba; en caso contrario, se har los resanes necesarios y se repetir la prueba hidrulica hasta obtener resultados satisfactorios..

La captacin en un manantial de fondo concentrado es una estructura de seccin cuadrada que sirve para colectar al agua. Esta estructura recolectora estar situada directamente sobre el afloramiento.La captacin consta de dos (2) partes: la primera, corresponde a una cmara hmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; y la segunda, a una cmara seca que sirve para proteger la vlvula de salida.CONSTRUCCION DE CAPTACION DE FONDO

Aspectos GeneralesSi la presin de salida, del manantial de fondo, es pequeo, se recomienda evitar colocar filtro alguno en el afloramiento, adems se recomienda realizar la acumulacin del agua (Cmara hmeda) en una cmara adjunta, que ser la verdadera cmara hmeda, se tendr en cuenta el tiempo de retencin para el calculo de su volumen.

Cmara hmeda (colectora)Es una estructura de concreto de seccin rectangular. En esta cmara se recolectar el agua del manantial y est prevista de una canastilla, por donde saldr el agua y pasar a la vlvula de salida de la cmara seca, de una tubera de limpia y de rebose que se instalar en un nivel ms bajo que los puntos de afloramiento. El nivel de agua en esta cmara no deber sobrepasar la altura natural del afloramiento.Cmara seca (de vlvulas)Es una estructura de concreto de seccin rectangular. Estar separado de la cmara hmeda por un muro de concreto de 0,60 m de altura y 0,15 m de espesor. Se instalar una vlvula para el control del agua de la lnea de conduccin y una vlvula para limpia o desage.UbicacinSern ubicados lo ms cercano posible a los afloramientos (manantiales de ladera) o sobre ellas (manantiales de fondo).La excavacin, los cimientos, el sellado y la prueba hidrulica, sern los mismos, de los de ladera..

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