Este documento presenta los lineamientos para el diseño de obras de captación de agua, incluyendo galerías filtrantes y captación de vertientes, para abastecer tres áreas de un proyecto. Describe los componentes clave de una galería filtrante como el colector, forro filtrante, pozo colector y cámaras de inspección. También presenta la metodología para el diseño de cada componente utilizando ecuaciones y datos específicos del proyecto.

1. CIV 238 “INGENIERÍA SANITARIA I” (JEFATURA DE TRABAJOS PRÁCTICOS) Ing. G. Carvajal
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ELABORACION DE PROYECTO DE CURSO (continuación)
OBRAS DE CAPTACIÓN
1. DISEÑO DE LA OBRA DE CAPTACIÓN
1.1 Descripción de la obra de captación.- Para continuar con el proyecto deberá realizar una breve descripción de las obras de captación a utilizarse. Por el tipo de fuente que se tiene se utilizaran galerías filtrantes y captación de vertientes.
1.2 Datos para el proyecto:
El proyecto se ha dividido en tres sistemas correspondientes a las áreas 1, 2 y 3 como se muestra en la imagen; y serán abastecidos de la siguiente manera:
- Área 1 (A1) será abastecida por el río Parapeti
- Área 2 (A2) será abastecida por la Vertiente VS-2
- Área 3 (A3) será abastecida por la Vertiente VS-3

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1.3 Datos para el proyecto:
1.3.1 RÍO PARAPETI.- La obra de captación elegida para el río Parapeti, es del tipo “galerías filtrantes” y el diseño se la deberá realizar de acuerdo a lo especificado en el Reglamento Nacional NB 689 “Reglamentos técnicos de diseño para sistemas de agua potable” Volumen 1, Pag. Del 75 Al 77.
Datos para el diseño de la galería filtrante:
- La galería de filtración será construida transversal al “río Parapeti”.
La ubicación del sitio donde se construirá la obra de toma “tubería de infiltración” es:
- Caudal a captar (Q1): Q1 = A1 / At * Qmax-d
Dónde: A1 = 172,70 Ha. y At = 382,36 Ha.
- Coeficiente de permeabilidad (K): 5,5 (m3/m2-d)
- Ancho del río (b): 91,62 m
- Velocidad de entrada a los orificios (0,05 a 0,10 m/s) (Ve): 0,1(m/s)
- Coeficiente de contracción de entrada por orificio (Cc): 0,55
- Profundidad media del agua en el rio (en época de estiaje): 0,2(m)
Para el diseño de la obra de captación mediante tuberías de infiltración, se seguirá la metodología presentada en el ejemplo de diseño, desarrollado a continuación:
Ejemplo de diseño de tuberías de infiltración:
Datos:
- Caudal a captar (Q): 100(l/s)
- Coeficiente de permeabilidad (K): 5(m3/m2-d)
- Ancho del río (b): 95(m)
- Velocidad de entrada a los orificios (0,05 a 0,10 m/s) (Ve): 0,1(m/s)
- Coeficiente de contracción de entrada por orificio (Cc): 0,55
- Profundidad a la que se encuentra el conducto
respecto al nivel del agua (a): 2,2(m)

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DISEÑO DE LOS COMPONENTE DE UNA GALERIA DE FILTRACION
1. EL COLECTOR.
En el diseño del colector de la galería es necesario tomar en consideración lo siguiente:
- De acuerdo a la norma NB 689 (Pag. 38), la tubería de infiltración, debe ubicarse en el fondo de la zanja, su diámetro debe ser determinado en función a las características del escurrimiento del agua, caudal que se requiera captar y de las condiciones de operación y mantenimiento.
- En ningún caso, el diámetro de la tubería deber ser menor a 100 mm.
- La sección debe tener la capacidad suficiente para que escurra el caudal de diseño.
- Las pérdidas por fricción deben ser mínimas
- Se debe proveer un máximo de área abierta para que el agua pase del acuífero al conducto.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1.1 Cálculo del caudal unitario.-
El caudal unitario que pasa por la tubería de infiltración puede ser calculada, utilizando la siguiente fórmula.
Fuente: Reglamento Nacional NB 689 “Reglamentos Técnicos de Diseño para Sistemas de Agua Potable”, pagina 75.
Donde:
“Qu” Es el caudal por unidad de longitud (l/s-m).
“k” Es el coeficiente de permeabilidad promedio del material que forma el lecho del río en (l/s-m2).
Este coeficiente se puede obtener con pruebas de laboratorio.
“a” Es la profundidad a que se encuentra el conducto, respecto al nivel del agua superficial en (m).
“r” Es el radio del conducto en (m).
Primero, convertimos las unidades de “k” a (l/s-m2)
Para el dimensionamiento del colector, se deberá adoptar un radio del conducto.
Para el caso del ejemplo adoptamos r = 0,50 m, entonces el caudal unitario para este radio será:

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1.2 Tamaño.-
El diámetro del conducto influye en el rendimiento por unidad de longitud de la galería. El diámetro mínimo que se puede utilizar, es el que garantiza el escurrimiento del caudal de diseño.
Si bien en muchas ocasiones, diámetros pequeños como el de 4 Pulgadas, tienen la capacidad para conducir el caudal de diseño, es preferible usar como mínimo un diámetro de 8 pulgadas para facilitar la limpieza y el mantenimiento.
En casos de galerías muy largas, es factible usar distintos diámetros, pues en los tramos iniciales no se necesita una alta capacidad de conducción.
1.3 Tipo de material.-
Por lo general, se utilizan las tuberías comerciales disponibles, entre las que se pueden mencionar las de Cloruro de Polivinilo (P.V.C.), asbesto cemento, hierro fundido y hormigón simple o armado.
Para el ejemplo se adoptó un diámetro de 1,0 m (40”)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
Cálculo de la longitud requerida de galería.-
La longitud de galería requerida será calculada, utilizando la relación de caudal de diseño dividido entre el caudal unitario.
Donde:
“Q” Es el caudal de diseño en (l/s).
“Qu” Es el caudal por unitario (l/s-m).
Cálculo del número de galerías.-
El número de galería requerida será calculada, utilizando la relación de la longitud requerida dividido entre el ancho del río.
Donde:
“L” Es la longitud requerida de galería en (m).
“b” Es el ancho del río (m).
Para el ejemplo adoptamos 3 galerías

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La selección de un tipo de material está condicionado a su resistencia estructural; a su susceptibilidad para reaccionar con distintos tipos de calidad de agua subterránea, lo que puede producir pérdidas en su capacidad para resistir cargas o darle al agua características no recomendables para el consumo; a la facilidad de hacerle perforaciones; a la calidad de la mano de obra y a la disponibilidad de los materiales.
Si se evalúa los diferentes tipos de materiales, vemos que la tubería plática P.V.C. presenta grandes ventajas. Es barata, liviana, provoca pocas pérdidas por fricción, es fácil de acarrear, su instalación es sencilla por lo que no requiere mano de obra especializada, las perforaciones son fáciles de hacer, no se corroe y resiste los períodos de diseño comunes de 10, 20, 30 y más años. El único inconveniente que presentan las tuberías de P.V.C. es que no es común la fabricación de secciones de gran diámetro, que a veces las circunstancias exigen.
1.4 Pendiente.-
Para evitar la acumulación del material fino que pueda entrar al conducto, es beneficioso darle a éste, una pendiente tal, que produzca una velocidad autolimpiante. De esta manera, el material fino se deposita en el foso colector, donde su eliminación no es problemática.
La pendiente que se le da al colector debe producir una velocidad de aproximadamente 0,60 m/s. Esta velocidad que generalmente se lograron pendientes que varían de 0,01 m/m a 0,05 m/m, es capaz de arrastrar los sólidos que puedan infiltrarse. No se recomienda una pendiente mayor para evitar, en casos de galerías de gran longitud, una profundidad excesiva.
1.5 Área abierta.-
Para diseñar el área perimetral abierta de los conductos, hay que tomar en consideración dos cosas fundamentales:
- Que la pérdida de resistencia en la tubería no sea notable.
- Que el área abierta permita la entrada del caudal estimado a una velocidad tal, que arrastre la menor cantidad de finos posible.
Para el ejemplo se adoptó tuberías de PVC
Para el ejemplo se adoptó una pendiente de 0.02 m/m (2%).
Cálculo del área abierta.-
De acuerdo al Reglamento Nacional NB 689 “Reglamentos Técnicos de Diseño para Sistemas de Agua Potable”, pagina 76.El área abierta por unidad de longitud del conducto estará dada por la siguiente expresión:
Donde:
“A” es el área abierta por unidad de longitud del conducto en (m2).
“Qu” es el caudal que se espera rinda la galería por unidad de longitud en (m3/s-m).
“ve” es el valor de la velocidad de entrada a los orificios en (m/s), varía entre 0,05 a 0,10 m/s
“Cc” es el coeficiente de contracción 0,55

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1.5 Forma, tamaño y distribución de las perforaciones.-
El tipo de material de que está hecho el conducto, determina la forma de las perforaciones. Cuando el conducto es de P.V.C., la perforación circular es la más indicada, pues, se puede hacer con taladros manuales o eléctricos en cualquier sitio. Si el conducto es de hierro fundido, las perforaciones pueden ser circulares o en forma de ranuras. Con el hiero fundido la más factible es usar equipo de soldadura de acetileno para hacer las perforaciones.
( ⁄) ( )
Cálculo del área abierta (continuación).-
Es recomendable usar la mayor cantidad de área abierta para tener, siempre que sea posible, velocidades de entrada bajas, ya que éstas nunca son perjudiciales, como sí pueden serlo las velocidades de entra altas.
A = 0,006687849 (m2/m) = 66,88 (cm2/m)
De acuerdo a la Norma NB 689 (Pag. 39), el diámetro de los orificios varía de 2,5 cm a 5,0 cm dispuestos al tres bolillo con una separación de 15 a 25 cm.
El número de orificios se determina utilizando la siguiente expresión:
Donde:
“n” es el número de orificios por metro.
“A” es el área abierta por unidad de longitud del conducto en (cm2).
“a” es el área del orificio (cm2).
Cálculo del área del orificio.-
Considerando un diámetro de orificio de 1”= 2,54 cm, se tiene:
Cálculo del número de orificios por unidad de longitud.-
Para el ejemplo adoptamos n = 14 orificios

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2. FORRO FILTRANTE.
Este elemento es un factor de suma importancia en el funcionamiento de una galería de infiltración. Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto, pero sin ofrecer una alta resistencia a la filtración.
Se pueden colocar capas de grava con tamaños regulados en forma similar a las usadas en los colectores laterales de los lechos filtrantes de las plantas de tratamiento de agua potable. Una capa exterior con tamaños que varíen entre 1/12 y ¼ pulgadas; una capa intermedia con tamaños entre ¼ y ¾ pulgadas; y una capa en contacto con las paredes del conducto con tamaños entre 1/3 y 2 pulgadas. El espesor mínimo de cada capa debe ser de 15 cm. Encima
3. POZO COLECTOR.
La función de este pozo es permitir el bombeo del agua que escurre por el colector. Puede ser circular o rectangular, dependiendo de la facilidad de construcción. Sus dimensiones deben ser tales que le permitan a un hombre realizar labores tanto de limpieza del mismo pozo, como de mantenimiento de los conductos y válvulas necesarios para el bombeo.
Es recomendable que el fondo de este pozo esté unos 60 centímetros más bajo que la cota de llegada del colector. Este volumen que se crea debajo del punto de llegada del conducto, permitirá el funcionamiento satisfactorio de la bomba y servirá de depósito al material fino que se introduce en el colector.

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4. CAMARAS DE INSPECCION.
Para el mantenimiento de la galería, es conveniente colocar cámaras de inspección en el extremo inicial y a intervalos regulares, en caso de que la galería sea de gran longitud.
Las cámaras de inspección son similares a las usadas en los alcantarillados sanitarios. El espacio entre una cámara y otra debe ser de unos 50 metros para diámetros menores de 24 pulgadas, y hasta 100 metros para diámetros mayores de 24 pulgadas.
Esta cámara al igual que el pozo colector deben tener el fondo y las paredes impermeables. Además, la elevación de la tapa debe estar por encima del nivel máximo que alcanzan las aguas, en caso de que la galería esté en un área inundable.
Pozo colector
Cámara de inspección

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1.3.2 VERTIENTES VS-2 y VS-3.- La obra de captación elegida para las vertientes VS-2 y VS-3, son del tipo “Vertiente de fondo” y el diseño se la deberá realizar de acuerdo a lo especificado en el Reglamento Nacional NB 689 “Reglamentos técnicos de diseño para sistemas de agua potable” Volumen 1, Pag.
Del 73 al 74.
Datos para el diseño de las vertientes VS-2 y VS- 3:
- Las vertientes VS-2 y VS-3 son del tipo “vertiente de fondo”, ya que el agua a captar emerge del terreno llano.
La ubicación del sitio donde se construirán las obras de toma “vertiente de fondo” es:
- Caudal a captar (Q2): Q2 = A2 / At * Qmax-d
Donde: At = A1+A2+A3
- Largo del afloramiento (l): 1,20 (m)
- Ancho del afloramiento (b): 1,20 (m)
Para el diseño de la obra de vertiente de fondo, se seguirá la metodología presentada en el ejemplo de diseño, desarrollado a continuación:
1,20 m
1,20 m

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Ejemplo de diseño de Vertiente de fondo:
Datos:
- Caudal a captar (Q): 30 (l/s)
- Diámetro de tubería de salida: 8”
- Largo del afloramiento (l): 1,00 (m)
- Ancho del afloramiento (b): 1,00 (m)
Cálculo de la altura total de la cámara de captación.-
Para determinar la altura total de la cámara de captación (Ht) se consideran los siguientes elementos:
Ht = A + B + C + H + E
Donde:
A : Altura del filtro de 10 a 20 cm.
B : Se considera una altura mínima de 10 cm.
C : Se considera la mitad del diámetro de la válvula colador.
H : Altura del agua.
E : Bordo libre de 10 a 30 cm.
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre 0 y 1 (fig. 2), resulta:
Considerando los siguientes términos igual a cero.
0 0 0 0
Fig. 1
Fig. 2

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Cálculo de la altura total de la cámara de captación (continuación).-
De la Ec. Anterior se tiene:
Donde:
h0 : Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomienda valores de 0,4 a 0,5 m).
V1 : Velocidad teórica en m/s.
g : Aceleración de la gravedad (9,18 m/s2).
Mediante la ecuación de la continuidad, y considerando los puntos 1 y 2 de la fig. 2, se tiene:
Considerando que: A1 = A2
Se tiene:
Donde:
V2 : Velocidad de pase (se recomienda valores menores o iguales a 0,6 m/s.
Cc : Coeficiente de contracción en el punto 1 (se asume 0,80).
Reemplazando el valor de V1 de la Ec. (2) en la Ec. (1) se tiene:
Para los cálculos, ho es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase.
De lo anterior y considerando H = ho (fig. 2), se tiene:
Donde:
Qmax-d : Caudal máximo diario en m3/s.
A : Área de la tubería de Salida en m2.
(1)(1) (1)
(2 2 (2) (2)

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5. BIBLIOGRAFÍA A USAR PARA LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO
- Apuntes de cátedra, Ing. José Díaz Benavente.
- Texto de la materia INGENIERIA SANITARIA I –CIV 238, Ing. José Díaz Benavente Ing. Gregorio Carvajal Sumi, año 2009
- Diseño de acueductos y alcantarillado, RICARDO ALFREDO LÓPEZ CUALLA, ALFAOMEGA 2da. edición, Año 1999
- Norma Boliviana NB 689 “Instalaciones de agua – Diseño para sistemas de agua potable”, que se encuentra en el siguiente enlace http://www.mmaya.gob.bo/vapsb/biblioteca/
- Reglamento Nacional NB 689 “Reglamentos técnicos de diseño para sistemas de agua potable” Volumen 1 de 2, que se encuentra en el siguiente enlace
http://www.mmaya.gob.bo/vapsb/biblioteca/htmls/bib_normas1.html
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Cálculo del área de la tubería de salida.-
Considerando un diámetro de la tubería de salida d = 8”= 0,2032 m
Cálculo de la altura de agua.-
H = 0,068 m
Cálculo de la altura total de la cámara de captación.-
Para determinar la altura total de la cámara de captación (Ht) se consideran los siguientes elementos:
Ht = A + B + C + H + E
Donde:
Altura del filtro A = 0,20 m.
Altura mínima de B = 0,10 m.
La mitad del diámetro de la válvula colador C = 0,127 m
Bordo libre E = 0,20 m.
Ht = 0,20 + 0,10 + 0,127 + 0,068 + 0,20
Ht = 0,70 m