obras de captacion

1. DISEÑO DE OBRAS DE
CAPTACION
ELABORADO POR:
Manuel García Naranjo B.

2. DISEÑO DE OBRAS DE
CAPTACION
Elaborado por:
Manuel García-Naranjo B.
Agosto 2015

3. OBRAS DE CAPTACION
Las obras de captación tienen por
finalidad derivar de un curso natural o
de un embalse el caudal demandado por
un determinado aprovechamiento
hidráulico.
En general, una obra de captación no
tiene como finalidad eliminar el material
transportado, sea éste de arrastre o en
suspensión; sin embargo, se adopta
medidas para limitar el ingreso de sólidos
y eliminar el material flotante.

4. OBRAS DE CAPTACION
CLASIFICACION
Las obras de captación se clasifican
como sigue:
• Captaciones de cursos:
– Bocatoma fluvial o toma convencional (con
barraje o sin barraje)
– Toma de fondo (tirolesa, alpina, caucasiana)
• Captaciones de embalse:
– Por torre (seca o mojada)
– Por galería (desde el vaso; a través de la
presa)

5. OBRAS DE CAPTACION
Las bocatomas fluviales pueden ser:
• Con toma directa:
se capta directamente mediante un canal
lateral.
Ventaja: no requiere construir un
barraje o azud, que por lo general
constituye una de las partes de mayor
costo.
Desventajas: puede ser obstruida
fácilmente en época de crecidas; permite
el ingreso de sedimentos hacia el canal
de derivación.

6. OBRAS DE CAPTACION
• Toma mixta o convencional:
se realiza la captación mediante el cierre
del río con una estructura llamada
barraje, azud o presa de derivación. Se
denomina barraje fijo cuando se trata de
una estructura rígida de concreto. Será
móvil cuando se utilizan compuertas de
acero o madera.
La captación se efectúa por medio de una
ventana que puede funcionar como orificio
o vertedero, dependiendo del tirante del
río.

7. OBRAS DE CAPTACION
• Toma móvil:
aquella toma que para crear la carga
hidráulica se vale de un barraje móvil.
Son tomas que por la marcada variación
de niveles entre la época de estiaje y
avenida, necesitan disponer de un
barraje relativamente bajo, pero que
para poder captar el caudal deseado
necesitan de compuertas que le den la
cota o nivel adecuado. Su principal
ventaja radica en el hecho que permiten
el paso de los materiales de arrastre por
encima de la cresta del barraje.

9. OBRAS DE CAPTACION
PARTES DE UNA BOCATOMA
CONVENCIONAL:
• Ventana de captación
• Canal de limpia
• Barraje (fijo, móvil o mixto)
• Trampa para material de fondo y rejilla para
material flotante
• Disipador de energía
• Aliviadero de demasías
• Muros de encauzamiento
• Desripiador y canal de purga
• Enrocado para evitar erosión aguas abajo
• Compuertas para operación de purga y captación

10. OBRAS DE CAPTACION
Toma Tirolesa o Caucasiana
Son tomas cuya estructura de captación
se encuentra dentro de la sección
delazud (barraje). El ingreso se
encuentra protegido por una rejilla que
impide el ingreso de materiales gruesos.
Estas tomas usualmente se emplean en
torrentes o quebradas, para captar
caudales con un máximo de 5 m3/s. No
son recomendables en ríos donde el
arrastre de sedimentos es intenso, ya
que podrían causar la rápida obstrucción
de la rejilla.

12. BOCATOMA FLUVIAL
UBICACIÓN
• La captación debe ubicarse en un
lugar donde los sedimentos puedan
ser arrastrados por el flujo del río.
El ingreso de sedimentos al canal de
derivación debe ser lo mínimo
posible.
• En tramos curvos, la captación debe
ubicarse en la parte externa, donde
hay menor presencia de sedimentos.

13. BOCATOMA FLUVIAL
• En tramos rectos de un río, la toma
debe estar inmediatamente aguas
arriba del eje del barraje de
derivación, formando un ángulo
entre 60° y 90°. Asimismo, se
recomienda que el eje de la toma
forme un ángulo de 20° a 30° con
respecto al eje del río.

14. BOCATOMA FLUVIAL
CONDICIONES DE DISEÑO:
• Garantizar derivación permanente del caudal de
diseño
• Proveer un sistema para permitir el paso de las
avenidas, que acarrean material sólido y
flotante
• Captar el mínimo de sólidos y disponer de
medios apropiados para su evacuación
• Estar ubicada en un lugar que presente
condiciones favorables desde el punto de vista
constructivo
• Conservar aguas abajo suficiente capacidad de
transporte para evitar sedimentaciones.

15. BOCATOMA FLUVIAL
LEVANTAMIENTOS TOPOGRAFICOS
El levantamiento topográfico del río
(planta y perfil longitudinal) debe
comprender de 1 km aguas arriba
hasta 500 m aguas abajo del eje de
captación, para conocer con mayor
aproximación la pendiente geométrica
del cauce. Se determinará secciones
transversales cada 20 m.

16. BOCATOMA FLUVIAL
CARACTERISTICAS HIDRAULICAS
DEL RIO
Es importante tomar en
consideración lo siguiente:
• Caudales de avenidas
• Taludes de las márgenes del río
• Coeficiente de rugosidad del cauce del
río (según Cowan)

17. BOCATOMA FLUVIAL
• CAUDALES DE AVENIDAS
La estimación de las descargas extremas
es importante para diseñar las obras de
excedencia; establecer la altura de los
muros de encauzamiento; estimar la
máxima tasa de aporte de sólidos que
pudiera presentarse en la zona de la
toma. Las distribuciones probabilísticas
más usadas (Gumbel, Log Pearson tipo
III, Normal, Log Normal) sirven para
esta estimación de Qmax.

18. BOCATOMA FLUVIAL
• TALUD DE LAS MARGENES DEL
RIO (H:V)
• Conglomerado 1:1
• Suelos arcilosos 1:1
• Suelos areno-limosos 1.5:1
• Suelos arenosos 2:1
• Suelos arenosos sueltos3:1
• Roca alterada suelta 0.5:1
• Roca sana 0.25:1

19. BOCATOMA FLUVIAL
• COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (según
Cowan)
n = (n0+n1+n2+n3+n4).n5
Donde:
no – función del material
n1 – función del grado de irregularidad
n2 – función de las variaciones de la sección
transversal del canal
n3 – dependiente del efecto relativo de las
obstrucciones
n4 – función de la vegetación
n5 – dependiente de la cantidad de meandros

20. BOCATOMA FLUVIAL
EL BARRAJE
Es una estructura que se levanta en el
lecho de un río con la finalidad de tener
control sobre el nivel del agua en la zona
inmediatamente anterior a la ventana de
captación. Por otro lado, propicia una
disminución de la velocidad del flujo,
limitando con ello posibles problemas de
erosión de las obras hidráulicas asociadas
a la toma. Debe también permitir la
descarga de excedencias por encima de
su cresta.

21. BOCATOMA FLUVIAL
La forma de la cresta del barraje debe
ser tal que no se desarrolle presiones
negativas que podrían generar cavitación
y causar daños al concreto.
Es recomendable aplicar la fórmula del
WES (U.S. Army Engineers Waterways
Experiment Station) para el
dimensionamiento preliminar, pero brindar
en la práctica mayor robustez, para
evitar daños por erosión del río.

23. BOCATOMA
• Dimensionamiento de la ventana de toma:
– Velocidad de captación: 1 m/s
– Relación longitud vs altura: 3 a 4
• Altura del barraje:
P = h0 + h + 0.20
• Carga sobre la cresta del barraje:
A partir de:
• Altura de muro de encauzamiento:
Htotal = P + H + f
2/3
d H.L.C.g2
3
2
Q 

24. BOCATOMA TIROLESA
Los ríos de montaña o torrentes tienen
las siguientes características:
• Pendientes longitudinales fuertes que
pueden llegar al 10% o a veces más.
• Crecientes súbitas causadas por
aguaceros de corta duración y que llevan
gran cantidad de piedras.
• Grandes variaciones diarias de caudal
cuando provienen de nevados.
• Pequeño contenido de sedimentos finos y
agua relativamente limpia en estiaje.

25. BOCATOMA TIROLESA
En estos casos, el empleo de tomas
convencionales presentan las siguientes
desventajas:
• El barraje debe estar levantado a cierta
altura sobre el fondo del río para poder
captar el agua; como consecuencia, son
necesarias obras costosas de disipación de
energía.
• La compuerta de purga tiene una eficiencia
baja y siempre algunas piedras quedan frente
a la reja. Si no hay un mantenimiento
constante y cuidadoso, los sedimentos
comienzan a tapar la reja con los
consiguientes perjuicios para la captación.

26. BOCATOMA TIROLESA
Para subsanar estas limitaciones se
plantea el empleo de la llamada toma
tirolesa o caucasiana. Esta consiste de
una rejilla ubicada horizontalmente o
con pequeña inclinación en el fondo del
cauce, sobre una galería dispuesta en el
cuerpo del barraje y que conecta con el
canal. Este tipo de toma solamente es
práctico en torrentes o ríos de montaña
y no se le ha utilizado para caudales
mayores a 10 m3/s.

27. BOCATOMA TIROLESA
Los principales elementos de una toma
caucasiana son los siguientes:
• Una presa (o barraje) que cierra el río
• Un disipador de energía aguas abajo del
barraje
• Una rejilla de toma, con las barras
orientadas en la dirección del flujo.
• Un canal de limpieza o purga, cuya
pendiente es de 8% a 10%
• Organos de regulación

28. BOCATOMA TIROLESA
La presa de cierre se compone de
las siguientes partes:
• Un tramo en la orilla opuesta del
curso que consta de un barraje
fijo sobre el cual se vierte el agua
en creciente. Este barraje debe
tener un perfil hidrodinámico que
normalmente se diseña con las
coordenadas de Creager.
• Un tramo central con la rejilla.

29. BOCATOMA TIROLESA
• Un tramo hueco que tiene en su
interior la galería que conduce el
agua desde la rejilla al canal. La
galería está tapada con una losa
de concreto armado, que en su
parte superior sigue el mismo
perfil que el del barraje fijo.
Cuando la rejilla está pegada a la
orilla, este tramo se suprime.

30. BOCATOMA TIROLESA
A continuación de la presa de
cierre se construye un disipador
de energía cuyas dimensiones
dependen de la altura de ésta y
del caudal durante crecientes.

31. BOCATOMA TIROLESA
Como la rejilla es la parte más baja de la
presa de cierre, cualquiera que sea el caudal,
el agua pasará forzosamente sobre ella. La
rejilla normalmente se sitúa una altura
comprendida entre 20 cm y 50 cm sobre el
lecho del río. Esto permite que las piedras
pasen fácilmente por encima del barraje con lo
cual se suprime la costosa compuerta de
purga. La baja altura del barraje permite a
su vez disminuir la longitud del disipador.
Estas dos economías hacen que el costo de una
toma caucasiana llegue a ser bastante menor
que el de una toma convencional.

32. BOCATOMA TIROLESA
La desventaja principal de este sistema radica
en la facilidad con que se tapa la rejilla,
especialmente si el río trae material flotante
menudo como hojas y hierbas.
En vista de que una gran cantidad de arenas y
piedras pequeñas entran por la rejilla, es
imprescindible construir un desripiador
eficiente a continuación de la toma.
Para que el desripiador tenga una salida al río
con una longitud dentro de límites económicos,
éste debe tener una gradiente de por lo
menos 3%.

33. BOCATOMA TIROLESA
La rejilla se hace de barras de hierro de
sección rectangular o trapezoidal (pletina) con
la base mayor hacia arriba, colocadas
paralelamente a la dirección del río. No se
aconsejan las barras redondas pues se
obstruyen más rápidamente con arena y piedra
fina y son más difíciles de limpiar.
Una desventaja de las pletinas es su
posibilidad de deformarse o ceder en el
sentido horizontal. Para evitar esto, se usan
a veces barras en forma de T. En los
bordes, las barras están sujetas a un marco
de hierro.

34. BOCATOMA TIROLESA
La separación entre las barras varía de
2 a 6 cm. La sección de las barras se
escoge en función de su longitud y en
base de consideraciones mecánicas, es
decir, que puedan resistir sin doblarse
el peso de las piedras grandes.
La rejilla tiene una inclinación con la
horizontal entre 0% y 20% para
facilitar el paso de las piedras; pero,
según Bouvard, se podría llegar a 30%
o hasta 40%.

35. BOCATOMA TIROLESA
• Cálculo de la Rejilla:
Para una rejilla con las características
indicadas:
intervienen en el cálculo los siguientes
coeficientes:
s t
e

36. BOCATOMA TIROLESA
K: Coeficiente que reduce el área total en
área efectiva disponible. Está dado por:
donde:
f - porcentaje de la superficie que queda
obstruida por las arenas y gravas que se
incrustan entre las rejas. Se toma entre
10% y 30%
s - espaciamiento entre barrotes
t - ancho de cada barrote
ts
s
)f1(K



37. BOCATOMA TIROLESA
C: Coeficiente de contracción que varía
en función de las disposición de los
hierros de la rejilla. Su valor depende
de la inclinación de la rejilla con la
horizontal y está dado por:
C = Co – 0.325 i
donde:
i - inclinación de la rejilla
Co = 0.6 para e/s > 4 ;
Co = 0.5 para e/s < 4

38. BOCATOMA TIROLESA
La expresión del caudal a través de la
rejilla es:
2/32/3
L*b*)ck(*20.3Q 

39. BOCATOMA TIROLESA
Cálculo de la Galería:
El flujo de agua en la galería que
queda bajo la rejilla es un caso de
flujo variado espacialmente, para
el cual no existe una solución
exacta. Para su análisis se
dispone de los métodos de:
• Zamarín
• Hinds

40. BOCATOMA TIROLESA
Método de Zamarín:
El cálculo se efectúa de la
siguiente forma:
• La longitud total “b” de la galería
se divide en partes iguales x y el
caudal en cada sección se
determina con la fórmula:
Qx = (Q/b) x
siendo x la distancia desde el
comienzo de la galería.

41. BOCATOMA TIROLESA
• Para tener la seguridad que todas las
piedras y arenas que han pasado por la
rejilla sean arrastradas hacia el
decantador o desripiador, la velocidad
media en la galería debe ser alta
( ).
• Debe tenerse una velocidad inicial Vo =
1 m/s al comienzo de la galería y una
velocidad final Vf = 2 a 3 m/s al
término de la misma. La velocidad a lo
largo de la galería se considera que se
incrementa linealmente.
gs3V 

42. BOCATOMA TIROLESA
• La relación entre el caudal y la
velocidad proporciona el área y por lo
tanto el tirante de agua necesario en
cada sección de la galería.
• Se asume que toda la energía del agua
que cae a través de la rejilla se disipa
en la mezcla turbulenta con el agua que
se encuentra en la galería. Así, el
flujo se produce debido solamente al
gradiente hidráulico en la galería.

43. BOCATOMA TIROLESA
• El gradiente hidráulico (I) se obtiene a
partir de la fórmula de Chezy o
Manning.
• De emplearse la fórmula de Manning, el
valor del coeficiente “n” que se adopta
es alto (0.035 a 0.045), para tomar
en cuenta las pérdidas adicionales que
se producen por el flujo espiral y
altamente turbulento en la galería.
• Las cotas del fondo de la galería se
obtienen de la ecuación de energía.