Obras de Captacion.pdf

INTRODUCCIÓN
• El termino genérico utilizado para las obras de
captación, derivación o toma en ríos es
“Bocatoma”. La cual es una estructura
hidráulica mediante la que se puede derivar el
caudal de diseño que por lo general
corresponde al Caudal Máximo Diario (QMD).

PERIODO DE DISEÑO
Articulo 40 – Resolución 0330 de 2017
Para todos los componentes de los sistemas de acueducto,
alcantarillados y aseo, se adopta como periodo de diseño 25
años.

CAUDAL DE DISEÑO
Articulo 47 – resolución 0330 de 2017
COMPONENTE CAUDAL DE DISEÑO
Captación fuente superficial Hasta 2 veces QMD
Captación fuente subterránea QMD
Desarenador QMD
Aducción QMD
Conducción QMD
Tanque QMD
Red de Distribución QMH

CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS
CAPTACIONES
Si se quiere obtener un buen comportamiento de
la estructura es importante evaluar las siguientes
condiciones:
 Las obras de captación deben ubicarse donde el
suelo sea estable, preferiblemente en los tramos
rectos evitando erosiones, sedimentación o
taponamientos de la obra.
 En caso que no se pueda ubicar la captación en
una zona recta, debe situarse en la orilla externa
de una curva, tomando debidas medidas de
protección.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS
CAPTACIONES
 Debe seleccionarse un cauce estable que tenga
firmeza en sus orillas, con el fin de que no interfiera
en el optimo comportamiento de las estructuras.
 Si la captación debe hacerse de lagos, lagunas o
embalses, esta debe localizarse de modo que pueda
proporcionar agua de la mejor calidad posible.
 Cuando la captación es mediante estación de
bombeo, ésta debe localizarse en lo posible en un
tramo recto del cauce del río, o quebrada y sobre
suelo estable con muy pocos riesgos de inundación.

TIPOS DE OBRAS DE CAPTACIÓN
Existen diferentes tipos de bocatomas; los
factores determinantes para la selección son
la naturaleza de la fuente y la topografía
general del proyecto.

• Toma Lateral (Bocatoma o Captación Lateral)
Una captación lateral es conveniente cuando la
fuente de aprovechamiento tiene un caudal
relativamente grande; en el caso de ríos
caudalosos de gran pendiente y con reducidas
variaciones de nivel a lo largo del período
hidrológico, se puede recomendar que la
estructura quede a una altura conveniente sobre
el fondo, ubicada al final de las curvas y en la
orilla exterior y en lugares protegidos de la
erosión y socavación.

Toma Lateral (Bocatoma o Captación Lateral)

• Toma Lateral (Bocatoma o Captación Lateral)

• Bocatomas Laterales con Diques de Derivación
La construcción de un dique de derivación se
realiza con el fin de levantar y orientar el flujo de
agua hacia la entrada de la bocatoma.
Una desventaja de este tipo de estructura es que
cuando la corriente arrastra mucho material en la
época de lluvias, éste se deposita en el muro
transversal, llegando a tapar completamente la
rejilla y el desagüe.

• Bocatomas Laterales con Diques de Derivación

• Bocatomas Sumergidas o de fondo
Es tal vez la bocatoma de más frecuente uso
en nuestro medio, en especial para la
proyección de pequeños acueductos rurales.
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 de la corriente.

Bocatomas Sumergidas o de fondo

• Bocatomas Sumergidas o de fondo

• Captación mixta
Si la fuente tiene variaciones considerables de
caudal y además el cauce presenta cambios
frecuentes de curso o es inestable, debe
estudiarse y analizarse la conveniencia de una
captación mixta que opere a la vez como
captación sumergida y captación lateral.

• Captación de Lecho Filtrante
Es un sistema que permite obtener agua de
calidad apta para el consumo humano, su
desarrollo es reciente y existen ya muchos
prototipos construidos en el país los cuales
funcionan con mucho éxito.

• Captación flotante con elevación mecánica
Si la fuente de agua superficial tiene variaciones de nivel,
pero conserva en aguas mínimas un caudal o volumen
importante, por economía debe proyectarse la captación
sobre una estructura flotante anclada al fondo o a una de
las orillas.

• Captación móvil con elevación mecánica
En ríos de gran caudal, que tengan variaciones
estaciónales de nivel importantes durante el
período hidrológico, por economía debe
proyectarse la captación sobre una plataforma
móvil que se apoye en rieles inclinados en la
orilla del río y que sea accionada por poleas
diferenciales fijas

• Presa de derivación
La presa tiene como objetivo elevar el nivel
del agua de modo que éste garantice una
altura adecuada y constante sobre la boca de
captación.

• Otras captaciones
En caso de que no existan fuentes superficiales o
fuentes subterráneas en las cercanías de las
zonas por abastecer, una alternativa interesante
para tener en cuenta son las siguientes:
1. Captación directa de aguas lluvias.
2. Captación por desalinización de agua de mar.
4. Captaciones artesanales.

• Otras captaciones
Captación Artesanal

No se debe de olvidar
• Que estas captaciones deben asegurar las
dotaciones mínimas para el sistema de acueducto
objeto del diseño o la construcción.
• Que las diferentes obras de captación
independiente de su tipo, deben recibir un
mantenimiento y un nivel de operación que
permita su eficiencia en la toma del caudal y se
evite traumatismos en el servicio de
abastecimiento de agua

DISEÑO BOCATOMA DE FONDO
• Se usan especialmente en ríos de montaña, los cuales están
sujetos a grandes variaciones de caudal entre periodos de estiaje
y los periodos de caudales máximos.
• El elemento base del diseño es la rejilla de captación, la cual
debe ser proyectada con barras transversales o paralelas a la
dirección de la corriente.
• Desde el punto de vista hidráulico, el problema se reduce a
determinar una altura de aguas sobre el área de captación; tal
que el caudal mínimo aforado, asegure la captación de caudal
deseado para satisfacer las necesidades de la comunidad a
abastecer.
• Desde el punto de vista estructural, el diseño deberá proveer
seguridad a la acción destructiva del río: Deslizamiento,
volcamiento, erosión, socavación, sedimentación.

(Consideraciones del Diseño - Rejillas)
• Factores a considerar en el diseño:
Elementos de diseño: Caudal correspondiente al nivel
de aguas mínimas en el río. Caudal requerido por la
población que se va a abastecer. El nivel alcanzado por
las aguas durante crecientes (TR= 100 años).
Inclinación de las rejillas: Entre 10% y 20% hacia la
dirección aguas abajo. Otro tipo de estructuras de
captación, por ejemplo bocatomas laterales,
inclinación del 70° a 80° respecto a la horizontal.

Separación entre barrotes: En ríos con gravas gruesas,
separación de barrotes entre 75 mm y 150 mm. Ríos
caracterizados por el trasporte de gravas finas la
separación entre barrotes debe ser entre 20mm y 50mm.
(valor medio 50mm). El diámetro de los barrotes de ½”, ¾”
ó 1”.
Ancho y largo de la rejilla: El ancho de la rejilla depende
del ancho total de la estructura de captación (mínimo 40
cm). Largo mínimo 70 cm, con el fin de facilitar las
operaciones de limpieza y mantenimiento.
Velocidad del Flujo en la rejilla: La velocidad efectiva del
flujo a través de la rejilla debe ser inferior a (Vb=0.15 m/s),
con el fin de evitar el arrastre de materiales flotantes.

Coeficiente de perdidas menores de la rejilla:
Deben conocerse las perdidas menores que
ocurren en la rejilla. Para calcularlos deben
utilizarse las siguientes ecuaciones.
Donde:
H: Perdidas de cargas menores (m).
v: Velocidad de flujo en la Rejilla (m/s).
g: Aceleración de la gravedad (m/s2).
k: Se calcula mediante la siguiente ecuación.

Donde:
S: Ancho o diámetro de Barrotes.
b: Separación entre barrotes.
α: Inclinación de la rejilla respecto a la horizontal
β: Se obtiene de la tabla 1 y la figura 1.

Figura 1. Secciones Transversales
barrotes de rejillas
Tabla 1

(Procedimiento de Calculo)
1. Establecer las características de la rejilla:
Material y forma de los barrotes.
Ancho de los barrotes (S).
Separación entre barrotes (b), 20 a 50 mm.
Inclinación de la rejilla respecto a la horizontal, (α).
2. Calcular el coeficiente de perdidas menores en
la rejilla, k.
3. Determinar La Carga sobre la rejilla, H; Fijando
la velocidad de flujo a través de la rejilla, v<0.15
m/s.

(Procedimiento de Calculo)
4. Diseño del dique – toma o presa.
5. Dimensionamiento de la rejilla.
6. Factor de seguridad en el ancho de la rejilla.
7. Diseño Canal de captación.
8. Calcular el diámetro de la tubería de salida y
chequear como orificio sumergido.
9. Dimensionar la cámara de toma o
aquietamiento y el vertedero de excesos.
10.Calcular la tubería de desagüe de los excesos
(Hazen, Williams o Darcy-Weisbasch).

(1. Diseño del Dique o Presa)
• La presa y la garganta de la bocatoma se diseñan como un
vertedero rectangular con doble contracción.
.
Donde:
Q= Caudal sobre el vertedero (m3/s).
L= Longitud del vertedero (m).
H= Altura de la lamina de agua sobre el vertedero (m).
• Con el fin de determinar la lamina de agua para las condiciones de
diseño QMD y para las condiciones máximas y mínimas del río se
despeja H.
/
Donde:
Q=QMD, Qmax y Qmin del río.

(Diseño del Dique o Presa)
• Se debe realizar la respectiva corrección de la longitud del
vertimiento debido a existencia de contracciones laterales.
Donde n es el numero de contracciones laterales.
• La velocidad del agua al pasar sobre la rejilla será de:
0.3 ≤ Vr ≤ 3.0

(2. Diseño de la rejilla y canal de captación)
• Ancho del canal de captación
Donde:
Xs= Alcance del filo superior del chorro (m)
Xi= Alcance del filo inferior del chorro (m)
Vr= Velocidad del río sobre la rejilla
H= Altura de la lamina de agua sobre la presa
B= Ancho del canal de captación

Canal de Captación

• Rejilla
Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del
flujo, el área neta de la rejilla se determina como:
Donde:
An= Área neta de la rejilla (m2).
b= Separación entre barrotes (m).
B= Ancho del canal (m).
N= Numero de orificios entre barrotes.

• Rejilla
Siendo “S” el diámetro de cada barrote, la superficie de la
rejilla es aproximadamente:
Haciendo la relación entre área neta y total se tiene:
Donde:
Lr= Long. De la rejilla (m)
B= ancho de la rejilla (m)

• Rejilla
El caudal captado por la rejilla se expresa como:
Donde:
K= 0.9 para flujo de agua paralelo a la sección de la rejilla.
Vb= Vel. Entre barrotes (Max:0.2 m/s)
Ec. de orificio Sumergido
Donde:
Qc= caudal captado por la rejilla.
Cd= Coeficiente de descarga (Cd=0.75)
g= aceleración de la gravedad
H= altura lamina de agua sobre la rejilla

Rejilla

(3. Niveles en el canal de captación)
• Canal de captación
Suponiendo que todo el volumen de agua s captado al inicio
del canal, el nivel de la lamina de agua aguas arriba se obtiene
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 que:

Canal Recolector

Donde:
ho= profundidad lamina de agua aguas arriba (m).
he= profundidad lamina de agua aguas abajo (m).
hc= profundidad critica (m)
i= pendiente del fondo del canal
g= aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) .
Lc= long. Del canal (Lr+e_muro)
BL= Borde Libre (0.15m)

(4. Diseño cámara de recolección)
Para que la ec. de dimensionamiento de la cámara de
recolección sea valida, la velocidad (Ve’), a la entrada
de ésta debe ser mayor a 0.3 m/s y menor a 3.0
m/s).
Aplicando la ecuación de longitud de chorro se tiene:

(4. Diseño cámara de recolección)
Cámara de Recolección

(5. Desagüe Caudal de excesos)
Se determina teniendo en cuenta que sobre la rejilla de la
bocatoma pasa un caudal mayor que el caudal de diseño.
La capacidad máxima de captación de la rejilla se puede
aproximar al caudal captado a través de un orificio sumergido
y se expresa así:
Donde:
Qc= caudal captado por la rejilla.
Cd= Coeficiente de descarga (Cd=0.75)
g= aceleración de la gravedad
H= altura lamina de agua sobre la rejilla.

(5. Desagüe Caudal de excesos)
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 un vertedero de
excesos a una distancia
adecuada de la pared de la
cámara de recolección,
utilizando la Ec. de alcance de
chorro.
Vertedero de excesos

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