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UNIDAD 5 Sistemas de Acueductos – Captación y Pretratamiento – 2011 – Parte 1

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Para esta unidad se revisará inicialmente el Capítulo 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 Resolución 2320/2009.

El material que se presenta en las siguientes páginas ha sido extraído de los libros: Elementos de Diseño de Acueductos y Alcantarillados, de Ricardo Alfredo López Cualla y Acueductos, Teoría y Diseño de Freddy Corcho Romero y José Ignacio Duque Serna.

OBRAS DE CAPTACIÓN


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DISEÑO DE BOCATOMAS

Bocatoma de Fondo

El agua es captada a través 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 río. En las figuras que se muestran más adelante, se ilustran los elementos más importantes de este tipo de bocatoma.

La bocatoma de fondo indicada en estas figuras consta de:

Presa: Su cota superior está al mismo nivel de la cota de fondo del río. Construida generalmente en concreto ciclópeo, dentro de ella se encuentra el canal de aducción.

Solados o enrocado superior e inferior: Ubicados aguas arriba y abajo de la presa, tienen por objeto protegerla de la erosión. 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 ciclópeo, el ancho de los muros puede ser de 60 centímetros o menos; esto depende del estudio de estabilidad de los mismos muros.

Rejilla: Se coloca sobre el canal de aducción que se encuentra dentro de la presa. La longitud de la rejilla, y por lo tanto la del canal de aducción, puede ser menor que la longitud de la presa o el ancho de la garganta, según las necesidades del caudal que se ha de captar. El ancho mínimo es de 40 cm y el largo mínimo de 70 cm, para facilitar la operación de limpieza y mantenimiento. Los barrotes y el marco pueden den ser de hierro, con separación entre barrotes de 5 a 10 centímetros y diámetro de los barrotes de ½”, ¾” o 1”.


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Canal de aducción: Recibe el agua a través de la rejilla y entrega el agua captada a la cámara de recolección. Tiene una pendiente entre el 1% y el 4% con el fin de dar una velocidad mínima adecuada y que sea segura para realizar las labores de mantenimiento. La sección de este canal puede ser rectangular o semicircular. Aun cuando la sección semicircular es la más eficiente desde el punto de vista del funcionamiento hidráulico, la sección rectangular es más fácil de construir.

Cámara de recolección: Generalmente es cuadrada o rectangular, con muros en concreto reforzado cuyo espesor puede ser de 30 centímetros 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 tubería 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.

Diseño de la bocatoma de fondo

Diseño de la presa. EI primer paso para el diseño de la bocatoma es verificar que el caudal de diseño, sea inferior al caudal mínimo del río en el sitio de captación. Con el fin de obtener el caudal mínimo del río se puede recurrir a datos de medición de caudal en la cuenca, a mediciones de caudal directas o al estudio hidrológico de la cuenca. La presa y la garganta de la bocatoma se diseñan como un vertedero rectangular con doble contracción cuya ecuación corresponde a:

Para determinar el valor de la lamina de agua para !as condiciones de diseño y para las condiciones máximas y mínimas del río, se despeja el valor de H de la ecuación anterior:

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

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

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 conti-nuación para la determinación del ancho del canal de aducción.

Diseño de la rejilla y el canal de aducción. Ancho del canal de aducción:

En donde: Xs: alcance filo superior (m) Xi: alcance filo inferior (m) vr: velocidad del río (m/s)

H: profundidad de la lámina de agua sobre la presa (m) B: ancho del canal de aducción (m)

Rejilla. Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del flujo, el área neta de la rejilla se determina según la siguiente expresión:

Siendo: An: área neta de la rejilla (m

2)

a: separación entre barrotes (m) N: número de orificios entre barrotes

Si b es el diámetro de cada barrote, el área total de rejilla es aproximadamente:

Haciendo la relación entre el área neta y el área total se tiene:

Reemplazando el área total en función de la longitud de la rejilla, Lr:


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

En donde:

K: 0.9 para flujo paralelo a la sección

vb: velocidad entre barrotes (máxima de 0.2 m/s)

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

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

En donde:

h0: profundidad aguas arriba (m)

he: profundidad aguas abajo (m) hc: profundidad crítica (m) i: pendiente del fondo del canal g: aceleración de la gravedad (9.81 m/s

2)

se debe dejar un borde libre de 15 cm.

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

Diseño de la cámara de recolección. Nuevamente se aplican las ecuaciones del alcance de un chorro de agua, reemplazando los términos por los de la condición de entrada a la cámara indicados en la figura.

Se debe tener en cuenta que, aunque los cálculos hidráulicos son necesarios para establecer las condiciones mínimas de la cámara de recolección, es importante que las dimensiones de la cámara sean las mínimas necesarias para realizar su adecuado mantenimiento. La profundidad H de la figura debe ser tal que cubra las pérdidas por entrada y fricción de la tubería de aducción entre la bocatoma y el desarenador. Como dicho diseño no se ha realizado, se puede suponer un valor de 0.60 m.


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Desagüe del caudal de excesos. El caudal de excesos se determina teniendo en cuenta que sobre la rejilla de la bocatoma pasará un caudal mayor que el caudal de diseño. Se producirá entonces una lámina de agua superior a la de diseño, que se puede evaluar según la ecuación

reemplazando en ella el caudal correspondiente al caudal máximo o promedio del río. La capacidad máxima de captación de la rejilla se puede aproximar al caudal a través de un orificio, cuya ecuación es:

Qcaptado: Caudal a través de la rejilla (m3/s)

Cd: Coeficiente de descarga = 0.3 An: Área neta de la rejilla (m

2)

H: Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m)

Este caudal llega a la cámara de recolección a través del canal en donde, como se indica en la Figura, se coloca un vertedero sin contracciones laterales que servirá para separar el caudal de diseño 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 diseño al desarenador. Como no se ha hecho el diseño de esta tubería, se asume en este momento un valor tentativo de 0.60 m, valor que debe ser corregido una vez se haya hecho el diseño correspondiente de la tubería de aducción entre la bocatoma y el desarenador, como se estudiará en su debido momento. En resumen, el caudal de excesos será la diferencia entre el caudal captado a través de la rejilla y el caudal de diseño:

Posteriormente se debe ubicar el vertedero de excesos a una distancia adecuada de la pared de la cámara de recolección. Para esto se aplican nuevamente las ecuaciones anteriormente presentadas. El diseño de la tubería de excesos, cuyo diámetro mínimo es de 6" (15 cm aprox.), debe contemplar la pendiente disponible entre el fondo de la cámara y el punto escogido para la descarga de excesos. Este punto debe estar 15 cm por encima del nivel máximo del río, según se indica en la figura. El diseño de esta tubería puede hacerse siguiendo el procedimiento que se estudiará más adelante.

Ejemplo de Diseño: Previamente se ha determinado el caudal de diseño de 13 L/s. Se tiene que el caudal del río en tiempo seco es de 50 L/s. El caudal medio del río es de 0.2 m

3/s. El caudal máximo del río es de 1 m

3/s. El ancho del río en el sitio de

captación es de 1.5 m.


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Nivel de aguas mínimo: 1971.60 msnm Nivel de aguas máximo: 1974.00 msnm Caudal mínimo: 1.5 m

3/s

Caudal máximo: 25 m3/s

Caudal a captar: De acuerdo con el RAS-2000, la capacidad de diseño será de 2 veces el caudal máximo diario. Dotación neta máxima: 150 L/(hab.d) Pérdidas técnicas máximas admisibles: 25% Dotación bruta = dotación neta / (1-%p) = 150/(1-0.25) = 200 L/(hab.d)

Qmd = P* dotbruta/86400 = 51659*200/86400 = 119.58 L/s

QMD = k1*Qmd Para nivel de complejidad alto k1= 1.2

QMD = 1.2*119.58 L/s = 143.5 L/s

Qdis = 2*143.5 = 287 L/s

EJEMPLO DE DISEÑO DE UNA BOCATOMA LATERAL

Las bocatomas laterales presentan menor posibilidad de obstrucción de la rejilla, son apropiadas para pendientes suaves, pero requieren un buen nivel de aguas. Diseñar una bocatoma lateral para el sistema de abastecimiento de agua de una localidad con población de diseño de 51659 habitantes. Estudios socioeconómicos realizados en el sitio indican que la capacidad económica de los usuarios es alta. El sitio de captación presenta la siguiente información: Ancho del río: 7.0 m. Pendiente del río: suave Fondo del río: 1970 msnm


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