Diseño de Captacion

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UNIDAD 5 Sistemas de Acueductos Captacin y Pretratamiento 2011 Parte 1

Para esta unidad se revisar inicialmente el Captulo B4 del RAS, Captaciones de agua superficial, en especial los numerales B.4.1, B.4.2, B.4.3, B.4.4 (particularmente B.4.4.1, B.4.4.2, B.4.4.5, B.4.4.7, B.4.4.10). No olvidar la Resolucin 2320/2009. El material que se presenta en las siguientes pginas ha sido extrado de los libros: Elementos de Diseo de Acueductos y Alcantarillados, de Ricardo Alfredo Lpez Cualla y Acueductos, Teora y Diseo de Freddy Corcho Romero y Jos Ignacio Duque Serna.

OBRAS DE CAPTACIN

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UNIDAD 5 Sistemas de Acueductos Captacin y Pretratamiento 2011 Parte 1

DISEO DE BOCATOMAS Bocatoma de Fondo El agua es captada a travs de una rejilla colocada en la parte superior de una presa, que a su vez es direccionada en sentido normal a la corriente. El ancho de esta presa puede ser igual o menor que el ancho del ro. En las figuras que se muestran ms adelante, se ilustran los elementos ms importantes de este tipo de bocatoma.

La bocatoma de fondo indicada en estas figuras consta de: Presa: Su cota superior est al mismo nivel de la cota de fondo del ro. Construida generalmente en concreto ciclpeo, dentro de ella se encuentra el canal de aduccin. Solados o enrocado superior e inferior: Ubicados aguas arriba y abajo de la presa, tienen por objeto protegerla de la erosin. Pueden ser construidos en concreto o enrocado. Muros laterales: Encausan el agua hacia la rejilla y protegen lo taludes. El ancho de estos muros depende de la estabilidad estructural. Siendo en concreto ciclpeo, el ancho de los muros puede ser de 60 centmetros o menos; esto depende del estudio de estabilidad de los mismos muros. Rejilla: Se coloca sobre el canal de aduccin que se encuentra dentro de la presa. La longitud de la rejilla, y por lo tanto la del canal de aduccin, puede ser menor que la longitud de la presa o el ancho de la garganta, segn las necesidades del caudal que se ha de captar. El ancho mnimo es de 40 cm y el largo mnimo de 70 cm, para facilitar la operacin de limpieza y mantenimiento. Los barrotes y el marco pueden den ser de hierro, con separacin entre barrotes de 5 a 10 centmetros y dimetro de los barrotes de , o 1.

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Canal de aduccin: Recibe el agua a travs de la rejilla y entrega el agua captada a la cmara de recoleccin. Tiene una pendiente entre el 1% y el 4% con el fin de dar una velocidad mnima adecuada y que sea segura para realizar las labores de mantenimiento. La seccin de este canal puede ser rectangular o semicircular. Aun cuando la seccin semicircular es la ms eficiente desde el punto de vista del funcionamiento hidrulico, la seccin rectangular es ms fcil de construir. Cmara de recoleccin: Generalmente es cuadrada o rectangular, con muros en concreto reforzado cuyo espesor puede ser de 30 centmetros y su altura igual a la de los muros laterales. En su interior se encuentra un vertedero de excesos lateral que entrega el agua a una tubera de excesos que regresa el agua al cauce. Se debe dejar una tapa en la placa superior y una escalera para el acceso del personal de mantenimiento. Diseo de la bocatoma de fondo Diseo de la presa. EI primer paso para el diseo de la bocatoma es verificar que el caudal de diseo, sea inferior al caudal mnimo del ro en el sitio de captacin. Con el fin de obtener el caudal mnimo del ro se puede recurrir a datos de medicin de caudal en la cuenca, a mediciones de caudal directas o al estudio hidrolgico de la cuenca. La presa y la garganta de la bocatoma se disean como un vertedero rectangular con doble contraccin cuya ecuacin corresponde a:

Diseo de la rejilla y el canal de aduccin. Ancho del canal de aduccin:

En donde: Xs: alcance filo superior (m) Xi: alcance filo inferior (m) vr: velocidad del ro (m/s) H: profundidad de la lmina de agua sobre la presa (m) B: ancho del canal de aduccin (m)

Para determinar el valor de la lamina de agua para !as condiciones de diseo y para las condiciones mximas y mnimas del ro, se despeja el valor de H de la ecuacin anterior:

Rejilla. Si se utiliza una rejilla con barrotes en la direccin del flujo, el rea neta de la rejilla se determina segn la siguiente expresin: Siendo:2

Debido a la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la correspondiente correccin de la longitud de vertimiento:

An: rea neta de la rejilla (m ) a: separacin entre barrotes (m) N: nmero de orificios entre barrotes Si b es el dimetro de cada barrote, el rea total de rejilla es aproximadamente:

En donde n es el nmero de contracciones laterales. La velocidad del agua al pasar sobre la rejilla ser de:

Haciendo la relacin entre el rea neta y el rea total se tiene:

y debe estar comprendida entre 0.3 m/s y 3 m/s de manera que puedan ser aplicables las ecuaciones del alcance del chorro que se presentan a continuacin para la determinacin del ancho del canal de aduccin.

Reemplazando el rea total en funcin de la longitud de la rejilla, Lr:

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Por otra parte, el caudal a travs de la rejilla es:

he: profundidad aguas abajo (m) hc: profundidad crtica (m) i: pendiente del fondo del canal 2 g: aceleracin de la gravedad (9.81 m/s ) se debe dejar un borde libre de 15 cm.

En donde: K: 0.9 para flujo paralelo a la seccin vb: velocidad entre barrotes (mxima de 0.2 m/s)

Para que las ecuaciones de dimensionamiento de la cmara sean vlidas, la velocidad a la entrega de la cmara de recoleccin, ve, debe ser mayor de 0.3 m/s y menor de 3 m/s.

Niveles en el canal de aduccin. Asumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal indicado en la figura, el nivel de la lmina aguas arriba es obtenido por medio del anlisis de cantidad de movimiento en el canal:

Diseo de la cmara de recoleccin. Nuevamente se aplican las ecuaciones del alcance de un chorro de agua, reemplazando los trminos por los de la condicin de entrada a la cmara indicados en la figura.

Para que la entrega a la cmara de recoleccin se haga en descarga libre, se debe cumplir:

Se debe tener en cuenta que, aunque los clculos hidrulicos son necesarios para establecer las condiciones mnimas de la cmara de recoleccin, es importante que las dimensiones de la cmara sean las mnimas necesarias para realizar su adecuado mantenimiento. La profundidad H de la figura debe ser tal que cubra las prdidas por entrada y friccin de la tubera de aduccin entre la bocatoma y el desarenador. Como dicho diseo no se ha realizado, se puede suponer un valor de 0.60 m.

En donde: h0: profundidad aguas arriba (m)Pgina 4 de 12

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Qcaptado: Cd: An: H:

Caudal a travs de la rejilla (m /s) Coeficiente de descarga = 0.3 2 rea neta de la rejilla (m ) Altura de la lmina de agua sobre la rejilla (m)

3

Este caudal llega a la cmara de recoleccin a travs del canal en donde, como se indica en la Figura, se coloca un vertedero sin contracciones laterales que servir para separar el caudal de diseo del caudal de excesos. Para cumplir con lo anterior, la cota de la cresta del vertedero debe coincidir can el nivel del agua necesario para conducir el caudal de diseo al desarenador. Como no se ha hecho el diseo de esta tubera, se asume en este momento un valor tentativo de 0.60 m, valor que debe ser corregido una vez se haya hecho el diseo correspondiente de la tubera de aduccin entre la bocatoma y el desarenador, como se estudiar en su debido momento. En resumen, el caudal de excesos ser la diferencia entre el caudal captado a travs de la rejilla y el caudal de diseo: Posteriormente se debe ubicar el vertedero de excesos a una distancia adecuada de la pared de la cmara de recoleccin. Para esto se aplican nuevamente las ecuaciones anteriormente presentadas. El diseo de la tubera de excesos, cuyo dimetro mnimo es de 6" (15 cm aprox.), debe contemplar la pendiente disponible entre el fondo de la cmara y el punto escogido para la descarga de excesos. Este punto debe estar 15 cm por encima del nivel mximo del ro, segn se indica en la figura. El diseo de esta tubera puede hacerse siguiendo el procedimiento que se estudiar ms adelante.

Desage del caudal de excesos. El caudal de excesos se determina teniendo en cuenta que sobre la rejilla de la bocatoma pasar un caudal mayor que el caudal de diseo. Se producir entonces una lmina de agua superior a la de diseo, que se puede evaluar segn la ecuacin

reemplazando en ella el caudal correspondiente al caudal mximo o promedio del ro. La capacidad mxima de captacin de la rejilla se puede aproximar al caudal a travs de un orificio, cuya ecuacin es:

Ejemplo de Diseo: Previamente se ha determinado el caudal de diseo de 13 L/s. Se tiene que el caudal del ro en tiempo seco es de 50 L/s. El caudal medio del ro es 3 3 de 0.2 m /s. El caudal mximo del ro es de 1 m /s. El ancho del ro en el sitio de captacin es de 1.5 m.

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Nivel de aguas mnimo: 1971.60 msnm Nivel de aguas mximo: 1974.00 msnm 3 Caudal mnimo: 1.5 m /s 3 Caudal mximo: 25 m /s Caudal a captar: De acuerdo con el RAS-2000, la capacidad de diseo ser de 2 veces el caudal mximo diario. Dotacin neta mxima: 150 L