Hidráulica - Obras de captación: diseño hidráulico de bocatomas

Obras de captación:
Diseño Hidráulico de Bocatomas
M.Sc. Nadia Brigitte Sanabria Méndez
Nombre: Facultad de Ingeniería- Ingeniería Agrícola

Obra de captación
Es toda aquella estructura que se ubica cerca de una fuente de agua superficial
o subterránea, económicamente viable para que fue diseñada, (Acueductos,
Generación de energía, o Riego), por lo anterior, el tipo de captación depende
de la fuente de abastecimiento del fluido (Romero y Serna, 1993).
Algunos criterios para la localización de las obras de captación en ríos o
manantiales son los siguientes:
1. El caudal de la fuente de abastecimiento debe ser mayor que el caudal de
diseño y la profundidad mínima del afluente no debe ser menor que la
profundidad de diseño.
2. El caudal del afluente debe ser constante y la estabilidad del suelo debe
ser firme.
3. La altura (Carga hidráulica) debe garantizar la llegada del agua al sitio de
destino

Obra de captación-Bocatoma
La ubicación de la obra de captación debe quedar a una altura conveniente del
fondo del afluente, y en una curva, a la orilla exterior, en un lugar protegido por
la erosión y socavación.
Algunas veces es necesario la construcción de un muro inclinado con respecto a
la dirección de la corriente, asimismo, muros laterales para proteger y
acondicionar la entrada del flujo a la zona de captación.
Para realizar un buen diseño, es necesario realizar un estudio hidrológico a la
cuenca para determinar el caudal máximo, mínimo y medio del afluente
principal, con los caudales máximos se puede realizar medidas de protección de
la estructura en máximas avenidas. El caudal mínimo, limita el caudal a captar o
caudal de diseño, para asegurar suministro del recurso hídrico en épocas de
verano.

Obra de captación
Se define como una estructura destinada a captar o extraer una determinada
cantidad de agua de una fuente de abastecimiento.
La proyección de una obra de captación dependen del uso que esta vaya a
tener y de las característica hídricas e hidráulicas de la fuente de
abastecimiento. Por la forma de captar las obras se pueden clasificar en:
1. Captaciones laterales
2. Captación de fondo o sumergidas- (Dique Toma- Bocatoma Sumergida)
3. Captación de lecho filtrante
4. Estaciones de bombeo
5. Captación en fuentes subterráneas.

Parámetros de diseño
Para el diseño de acueductos rurales se tiene en cuenta los siguientes parámetros.
1. Períodos de Diseño
De acuerdo a la resolución 330 de 2017 en su artículo 40 para todos los componentes de sistemas de
acueductos, alcantarillados y aseo se adopta periodo de diseño de 25 años.
2. Dotación Neta Máxima
De acuerdo a la resolución 330 de 2017 en su artículo 43. La demanda debe realizarse de acuerdo a
información histórica de consumo de agua potable. Sin embargo los consumos no deben superar los
máximos establecidos a continuación:
Altura Promedio sobre el Nivel del
Mar del la Zona Atendida.
Dotación Neta Máxima (L/Hab/Día)
> 2000 m.s.n.m 120
1000- 2000 m.s.n.m 130
< 1000 m.s.n.m 140
Tabla 1. Dotación Neta Máxima por Habitante según altura Promedio sobre el Nivel del Mar del la Zona Atendida.

Tabla 2. Dotación doméstica Tabla 3. Valores de consumo de agua
(Schocklisth)
Población
(Hab.)
Dotación Mínima
(L/Hab-día)
1000 100
5000 125
25000 150
50000 160
100000 170
Bebida y Cocina
Lavado de platos 20-30/Hab-día
Aseo personal (Ducha) 20-75/Hab-día
Lavado de ropa 10-15/Hab-día
Inodoros 15-20 descarga
Lavado de pisos 1.5 l/m^2
Riego de Jardines 1.5 l/m^2
Lavado de Automovil 250-300 l

3. Dotación Bruta
De acuerdo a la resolución 330 de 2017 en su artículo 44.
D𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎=
D𝑛𝑒𝑡𝑎
(1 − %𝑝)
• Donde,
• D𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = dotación bruta.
• D𝑛𝑒𝑡𝑎 = dotación neta
• %𝑝 = pérdidas máximas admisibles (no deberá superar el 25%)

4. Consumos
a) Consumo medio diario (q): Consumos durante 24 horas obtenido como el promedio de consumos
diarios en un periodo de un año.
b) Consumo máximo diario (QMD): Consumo durante 24 horas observado en un periodo de un año,
sin tener en cuenta las demandas contra incendios.
c) Consumo máximo horario (QMH): Consumo máximo observado en una hora en un periodo de un
año sin tener en cuenta la demanda contra incendios.
d) Coeficiente de consumo máximo diario (K1): Relación de consumo máximo diario y consumo
medio diario. Criterio de acuerdo a la resolución 330 de 2017 para poblaciones menores o iguales a
12500 habitantes K1=1.3 y para poblaciones mayores 12500 habitantes K1=1.2.
e) Coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario (K2) y el
consumo medio diario Criterio de acuerdo a la resolución 330 de 2017 para poblaciones menores o
iguales a 12500 habitantes K2=1.6 y para poblaciones mayores 12500 habitantes K2=1.5

Para el diseño de acueductos rurales se tiene en cuenta los siguientes parámetros.
f) Coeficiente de consumo máximo horario (M): Relación entre consumo máximo horario
y consumo medio horario, este está relacionado con K1 y K2 (M=K1*K2)
El consumo máximo diario será igual al producto del consumo medio diario por el
coeficiente K1:
𝑄𝑀𝐷 = 𝑞 ∗ 𝐾1
Dónde:
QMD= Consumo máximo diario(lps)
q= Consumo medio diario(lps)
K1= Coeficiente de consumo máximo diario

El consumo máximo horario (QMH) será igual al producto del consumo medio diario (QMD) por el
coeficiente máximo diario (M):
𝑄𝑀𝐻 = 𝑞 ∗ 𝑀
Dónde:
QMH= Consumo máximo Horario (lps)
q= Consumo medio diario(lps)
M= Coeficiente máximo horario.
El consumo medio diario:
𝑞 =
𝑝 ∗ 𝑑
86400
Dónde:
q= Consumo medio diario (lps)
p= Población de diseño
d= Dotación por todo concepto (l/hab/día)

4. Caudal de Diseño
De acuerdo a la resolución 330 de 2017 en su artículo 47
Componente
Caudal de
Diseño
Captación de fuente Superficial
Hasta 2 Veces
QMD
Captación de fuente Subterránea QMD
Desarenador QMD
Aducción QMD
Conducción QMD
Tanque QMD
Red de Distribución QMD

Proyección de la Población:
Es un paso clave y fundamental para la determinación del gasto o caudal con el cual se
iniciará el diseño de un sistema de captación de agua. Si la proyección de la población se
hace por debajo a la tasa de crecimiento real de la población, se presentarán problemas
de funcionamiento, en el corto y mediano plazo, por ineficiencia del sistema causando
problemas sociales, económicos y políticos. Por el contrario, si el pronóstico de la
población se realiza con una tasa de crecimiento de la población por encima de la real, se
construirán obras sobredimensionadas, generando altos costos en la construcción,
mantenimiento y operación del sistema.
Basado en lo anterior, es indispensable contar con un método de pronóstico o proyección
de la población, lo más ajustado posible a las condiciones de zona y teniendo en cuenta el
registro histórico.

Cuando se tiene en cuenta los datos históricos de la población objetivo se pueden
emplear los siguientes métodos.
✓Método aritmético (lineal)
✓Método Geométrico
✓Curvas de crecimiento
✓Método del mejor ajuste a una ecuación (Excel)
✓Modelos (ARX, ARMAX, ARIMAX, Filtros de Kalman, Redes Neuronales).

En este método se asume que la población tiene una tasa constante de crecimiento
aritmético, Gráficamente se representa en una línea recta. Este método es aplicable a
localidades pequeñas en especial rurales o ciudades grandes con crecimiento
estabilizado y que posee áreas de desarrollo futuro nulo. La expresión matemática que
describe este método es:
1.
𝑑𝑝
𝑑𝑡
= 𝐾, en donde →→→ 𝑑𝑝 = 𝐾 ∗ 𝑑𝑡, →→→ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑠𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒
2. ‫׬‬
𝑃0
𝑃1
𝑑𝑝 = ‫׬‬
𝑡0
𝑡1
𝐾𝑑𝑡 →→→ 𝑃1 − 𝑃0 = 𝐾 𝑡1 − 𝑡0 , 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑠𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒:
3. 𝐾 =
𝑃1−𝑃0
𝑡1−𝑡0
, 𝑡𝑎𝑚𝑏𝑖é𝑛 𝑠𝑒 𝑝𝑢𝑒𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑟𝑖𝑏𝑖𝑟 𝑎𝑠í: 𝐾 =
𝑃1−𝑃0
𝑚
Método Aritmético (Lineal)

Dónde:
𝑚 = Periodo entre los censos P1 y P0
𝑡1 = tiempo correspondiente al censo P1
𝑡0 = tiempo correspondiente al censo P0
𝑘 = Tasa de crecimiento aritmético
Entonces:
𝑃 = 𝑃1 + 𝑛[
𝑃1 − 𝑃0
𝑚
]
Dónde:
𝑃 = población al final del periodo de diseño
𝑛 = Periodo comprendido entre el último censo considerado y el último año del censo
de diseño
Método Aritmético (Lineal)

En este método se puede emplear en ciudades que todavía no ha alcanzado un
desarrollo y crecen manteniendo un porcentaje uniforme en los pasos posteriores, Este
método se representa en una curva de interés compuesto. La ecuación que describe este
método es:
1.
𝑑𝑝
𝑑𝑡
= 𝑟𝑝, en donde →→→
𝑑𝑝
𝑝
= 𝑟 ∗ 𝑑𝑡, →→→ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑠𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒
Dónde:
𝑝 = Población
𝑟 = Constante de crecimiento geométrico
𝑡 = tiempo
𝑛 = Número de años entre el último censo y el último año del periodo de diseño
2. ‫׬‬
𝑃0
𝑃1 𝑑𝑝
𝑝
= ‫׬‬
0
𝑛
𝑟𝑑𝑡 →→→ 𝐼𝑛
𝑃1
𝑃0
= 𝑟 𝑛 ,
Método Geométrico

3. 𝐼𝑛
𝑃1
𝑃0
= 𝑟 𝑛
4.
5. 𝑃 = 𝑃1𝑒𝑟𝑛
𝑟 =
𝐼𝑛 𝑃1/𝑃0
(𝑡1 − 𝑡0)
𝑟 =
𝐼𝑛 𝑃1) − ln(𝑃0
(𝑡1 − 𝑡0)

A continuación se presentan los métodos anteriormente expuestos en la población de
Campoalegre en el departamento del Huila, la siguiente tabla muestran los datos
históricos de crecimiento de la Población.
Año Población Año Población Año Población Año Población
1985 25021 1994 29101 2003 31619 2012 33757
1986 25470 1995 29422 2004 31906 2013 33949
1987 25955 1996 29711 2005 32178 2014 34133
1988 26447 1997 29978 2006 32442 2015 34306
1989 26949 1998 30252 2007 32687 2016 34470
1990 27440 1999 30520 2008 32917 2017 34627
1991 27917 2000 30790 2009 33138 .
1992 28355 2001 31064 2010 33353 .
1993 28751 2002 31342 2011 33563 2042

𝐾 =
𝑃1−𝑃0
𝑡1−𝑡0
, →→→ 𝑎𝑠í: 𝐾 =
34627−28355
25
= 250.88
El periodo entre los censos es de 25 años:
𝑃2042 = 𝑃1 + 𝑛
𝑃1 − 𝑃0
𝑚
→→→ 𝑃2042 = 34627 + 25 250.88 = 𝟒𝟎𝟖𝟗𝟗 𝒉𝒂𝒃𝒊𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆𝒔
Año P0 P1
1992 28355
2017 34627

𝑟 𝑛 = 𝐼𝑛
𝑃1
𝑃0
=→→ 𝑟 =
𝐼𝑛(𝑃1)−𝑙 𝑛 𝑃0
(𝑡1−𝑡0)
𝑠𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒:
𝑟 =
𝐼𝑛 34627) − ln(28355
25
= 0.00799
𝑃2042 = 𝑃1 ∗ 𝑒𝑟𝑛
, 𝑎𝑠í𝑚𝑖𝑠𝑚𝑜: 𝑃 = 34627 ∗ 𝑒0.00799∗25
= 𝟒𝟐𝟐𝟖𝟑 𝒉𝒂𝒃𝒊𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆𝒔
Año P0 P1
1992 28355
2017 34627

y = 3.99E-58x18.75
R² = 0.964
y = 0.0002239e0.009362x
R² = 0.9632
y = -5.144x2 + 2.088x - 2115E+07
R² = 0.9984
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Población proyectada en Campoalegre

Diseño Bocatoma Lateral
1. Este tipo de estructuras es conveniente cuando el caudal de la fuente de
abastecimiento es relativamente grande.
2. Esta debe ser ubicada al final de una curva (meandro) y en la orilla
exterior en un lugar protegido por la erosión y socavación.
Construcción de muro normal o inclinado con respecto a la dirección de
la corriente, además de muros laterales para proteger y acondicionar la
entrada de agua.
3. Estudio del comportamiento hidrológico de la corriente , caudales
máximos y mínimos y la curva de duración de los caudales normales.

Diseño de la rejilla, Parámetros
generales
Limpieza Manual
Limpieza Mecánica
Velocidad a través de rejas limpias
Mínima (m/s): 0,40
Máxima (m/s): 0,75
Tamaño de las varillas
Limpieza
Manual Mecánica
Ancho (pulg) 0,5-1,5 0,5-1,5
Profundidad (cm) 2,5-7,5 2,5-7,5
Espaciamiento entre rejas (cm) 2,5-5,0 1,5-7,5
Velocidad de aproximación (m/s) 0,3-0,6 0,6-1,0
Pérdidas de carga H1 valor máximo (cm)
15 15
∅ = 300𝑎 450 𝐶𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝐻𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
∅ = 450𝑎 90 𝐶𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝐻𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙

Ejemplo de diseño Bocatoma
Lateral
1. Datos.
Población al final del periodo de diseño: 20350 habitantes
Dotación 200 (L/hab/día)
Caudal medio diario q= 47.106 L/s
K1= 1.2
Caudal máximo diario QMD=1.2(47.106)=56,53 = 57 L/s
Sitio de captación.
Ancho del río 7.5 metros
Fondo del río 97.12 m.s.n.m
Nivel mínimo de agua 98.52 m (Tirante mínimo 1.40 m)
Nivel máximo de agua 100.25 m (Tirante máximo 3.13 m)
Caudales: mínimo 2.80 m^3/s y máximo 35 m^3/s
Caudal de diseño: (otorgando un amplio margen de seguridad y ampliación futura) Q-diseño=
3QMD
Qdiseño= 171 l/s
Rejilla construida en varilla de 1” (pulgada) espaciada 1” inclinada 75 grados con la horizontal.

Diseño de la rejilla
El diámetro de la varilla y el espaciamiento entre ellas retendrá material igual y mayor a
1” de espesor.
Entrada de agua por la rejilla: Se toma como un vertedero de cresta delgada. Se
emplea la ecuación de Francis para vertedero frontal de cresta delgada.
𝑄1 = 1.84𝐿𝑒𝐻3/2
Dónde:
Q1= Caudal a captar (Caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido))
(m^3/s)
Le= Longitud equivalente del vertedero (m)
H= Carga sobre la cresta del vertedero (m)

Pérdidas en la rejilla: las perdidas son muy pequeñas ya que la velocidad sobre esta es
prácticamente nula. Es posible recurrir a la experiencia con una pérdida mínima de 6 cm. Sin
embargo, la ecuación de Kirsmmer determina esta pérdida.
ℎ = 𝐵(
𝑊
𝑏
)4/3ℎ𝑣 ∗ 𝑠𝑒𝑛∅
Dónde:
h= pérdida de carga (m)
B= Factor de forma (1,79-1.87 barras circulares y 2.42 barras rectangulares) (m)
W = espesor de la barra (m)
b= Espaciamiento mínimo entre barras (m)
V= velocidad de aproximación en (m/s)
hv= Carga de la velocidad (m)
∅= Angulo de la barra respecto a la horizontal

Aplicando la ecuación, asumiendo una velocidad de aproximación de 0.6 (m/s) y reemplazando se tiene;
ℎ = 1.87
0.0254
0.0254
4
3
0.0183 ∗ 𝑠𝑒𝑛 75 = 0.030 𝑚 ≈ 3 𝑐𝑚
Cuando se proyecta obstrucción de la rejilla por materiales en suspensión se debe aumentar las pérdidas
entre 2 y 3 veces. Si se selecciona un factor de seguridad de 2 entonces h= 6 cm (experiencia).
Fórmula de Villemonte:
𝑄 = 𝑄1(1 − 𝑆𝑛)0.385
Dónde:
Q= Caudal que se necesita captar (sumergido o ahogado)= Caudal de Diseño
Q1= Caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido)
S = Sumergencia
n= Exponente en la fórmula como vertedero libre (1.5)

Sumergencia (S):
𝑆 =
(𝐻 − 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎)
𝐻
Si se asume una carga sobre la rejilla de 0.35 m
𝑆 =
(0.35 − 0.06)
0.35
= 0.83
Empleando la expresión de Villemonte:
𝑄1 =
𝑄
(1 − 𝑆𝑛)0.385
=
0.171 ൗ
𝑚3
𝑠
(1 − 0.831.5)0.385
= 0.281 ൗ
𝑚3
𝑠

Ahora se emplea la ecuación de Francis para vertedero libre para determinar 𝐿𝑒
𝐿𝑒 =
𝑄1
1.84𝐻3/2
=
0.281
1.84 ∗ 0.353/2
= 0.737 ≈ 0.74 𝑚
Número de espacios en la rejilla:
𝑁𝑠𝑝 =
𝐿𝑒
𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎
=
0.737
0.0254
= 29,1 ≅ 29 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠
Número de varillas en la rejilla
𝑁𝑣𝑎𝑟 = (𝑁𝑠𝑝 −1) = (29 − 1) = 28 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠
Longitud total de la rejilla Lt:
𝐿𝑡 = 𝑁𝑠𝑝 ∗ 𝑏 + 𝑁𝑣𝑎𝑟 ∗ 𝑤
𝐿𝑡 = 29 + 28 ∗ 0.0254 = 1,448 ≅ 1,45𝑚

Cámara de Derivación
Cámara de derivación: tendría
unas dimensiones de 1,85 x1.6
metros en base superior para fácil
mantenimiento.
Figura 1. Planta de bocatoma lateral

Conducción Bocatoma-Desarenador
La conducción de la bocatoma-desarenador para un caudal igual a 2
veces QMD
𝑄 = 2 ∗ 𝑄𝑀𝐷
𝑄 = 2 ∗ 57 = 114𝐿/𝑆 = 0.114
𝑚3
𝑠
El desarenador debe construirse lo mas cercano a la bocatoma, en el
fin de no conducir agua no tratada que puede ocasionar problemas
por obstrucción. Generalmente esta conducción debe estar entre 50 a
300 metros.

50 a 300 m

Ecuación de diseño
Para ductos con flujo por gravedad se emplea la ecuación de Manning.
𝑄 =
𝐴𝑅
2
3𝑆
1
2
𝑛
, Despejando en función del diámetro 𝑄 = 0,312 ∗
𝐷
8
3𝑆
1
2
𝑛
𝑄 =Caudal (m^3/s)
𝐴 =Área de la sección del flujo (m^2)
𝑅 = Radio hidráulico (m)
𝑆 = Pendiente del terreno (m/m)
𝑛 = Coeficiente de rugosidad de Manning.

Ecuación de diseño
Despejando el diámetro de la ecuación de Manning, se tiene:
𝐷 = 1,548(
𝑛𝑄
𝑆
1
2
)
3
8
Cuando se calcule el diámetro con esta ecuación se debe seleccionar el diámetro
comercial superior (mínimo 6”). Con este diámetro nuevo (Comercial) se debe
calcular el caudal a tubo lleno (𝑄0) y la velocidad, la cual se obtendrá dividiendo el
caudal a tubo lleno con el área del tubo comercial seleccionado. área de la sección
del flujo (m^2)
𝑄 =Caudal (m^3/s)
𝑆 = Pendiente del terreno (m/m)
𝑛 = Coeficiente de rugosidad de Manning.

1. Determinación de la pendiente (S)
𝑆 =
(97,86 − 97,46)
50
= 0,008 ≈ 0.8%
Tubería de Cemento n=0.009
2. Determinación del diámetro (D)
𝐷 = 1,548(
0,009 ∗ 0,114
0,008
1
2
)
3
8= 0, 29𝑚 ≈ 11,42" ≈ 12“
12 pulgadas es un tubo comercial para cemento

3. Cálculo del Caudal a tubo Lleno 𝑄0
𝑄0 = 0,312 ∗
0,305
8
3∗0,008
1
2
0,009
= 0,131
𝑚3
𝑠
4. Carga hidráulica al centro de la tubería (Con un diámetro de tubería de 12”)
A= 0.073 m^2
𝑄0 = 0,61𝐴 2𝑔𝐻
𝐻 =
𝑄0
2
0,61 ∗ 𝐴 2 ∗ 2𝑔
𝐻 =
0,131
𝑚3
𝑆
2
0,61 ∗ 0.073 2 ∗ 2 ∗ 9,81
𝑚
𝑠2
= 0.441 ≅ 0.44 m

5. Calculando la velocidad de tubo lleno (𝑉0)
𝑉0 =
𝑄0
𝐴0
Reemplazando los valores
𝑉0 =
0,131
𝑚3
𝑆
𝜋
4
∗0,3052
= 1.793
𝑚
𝑠
> 0,60
𝑚
𝑠
Se verifica que se cumpla el criterio de velocidad mínima y máxima.

Velocidad Mínima
La velocidad mínima especificada es de 0,6 m/s a tubo lleno. Este criterio
cumple las necesidades de obtener una velocidad en el ducto que sea capaz de
arrastrar las partículas y/o sedimentos.
Velocidad máxima
La velocidad máxima está en función del material en el cual esté construido el
tubo, pues esta velocidad debe ser tal que no dañe o erosione la tubería.
Diámetro mínimo 6”
1. Tubería de gres 5 m/s
2. Tubería de concreto 4 m/s.

Cotas
Cota nivel mínimo del río = 98.52 m
Cota cresta del vertedero = (Nivel mínimo del río)- (Carga sobre el vertedero)
Cota cresta del vertedero = (98.52 - 0.35) = 98.17 m
Cota nivel mínimo al interior de la caja de derivación: Cota mínima del rio-pérdidas
en la rejilla
(98.52 -0.06)= 98.46 metros
Cota al eje de la tubería= Cota mínima en la caja de derivación – carga hidráulica al
centro de la tubería.
Cota Eje de la Tubería= 98.46-0.44=98.02 m
Cota batea tubería salida al desarenador: Cota al eje de la tubería – el diámetro de la
tubería/2
Cota batea tubería salida al desarenador:= 98.01 − 0.152 = 97.858 𝑚

Diseño de un bocatoma lateral
Figura 1. Planta de bocatoma lateral
Figura 2. Corte A-A bocatoma lateral

Bocatoma de Fondo
Es la bocatoma de uso más frecuente
en las zonas rurales, en especial para
la proyección de pequeños acueductos
rurales, Consiste en una captación
sumergida como se puede apreciar en
la figura de la derecha en la cual
también se indican sus elementos.
Los elementos más relevante en el
diseño de una bocatoma de este tipo
son: el dimensionamiento de la reja, el
cálculo del caudal de captación, y el
dimensionamiento del canal colector. Figura 3. Esquema general de bocatoma sumergida

Bocatoma de Fondo
• Presa: su cota superior está al mismo nivel de la cota del fondo del río. Se
construye generalmente en concreto ciclópeo, dentro de ella se encuentra el
canal de aducción.
• Solados superior o inferior: Ubicados aguas arriba y aguas debajo de la presa,
tienen por objeto protegerla de la erosión.
• Muros Laterales: encauzan el agua hacia la rejilla y protegen los taludes. Su
ancho depende de la estabilidad estructural. Generalmente se construye en
concreto ciclópeo, el ancho puede ser de cm o menos, depende de la
estabilidad de los muros.
• Rejilla: Ésta se coloca sobre el canal de aducción que se encuentra dentro de la
presa. La longitud de la rejilla, y por tanto la del canal de aducción puede ser
menor que la longitud de la presa, según la necesidad. 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 ser de hierro, con separación
entre barrotes de cinco a diez cm y diámetro de los mismos de ½”, 3/4” ó 1”.

Bocatoma de Fondo
• 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 1 y
14%, con el fin de dar una velocidad adecuada y segura para las
labores de mantenimiento. La sección del canal puede ser rectangular
o semicircular.
• Cámara de recolección: generalmente es cuadrada o rectangular, con
muros en concreto reforzado cuyo espesor puede ser de 30cm y su
altura igual que la de los muros laterales. En su interior se encuentra
un vertedero de excesos, que entrega el agua a una tubería de excesos
que regresa al cauce.

Bocatoma de Fondo
Figura 6. Corte longitudinal Figura 7. Corte transversal

Diseño de la Presa
1. se debe verificar que el caudal de diseño, caudal máximo diario, sea inferior al
caudal mínimo del rio en el sitio de la captación.
2. la presa y la garganta de la bocatoma se diseñan como un vertedero rectangular con
doble contracción.
𝑄 = 1.84𝐿𝐻
3
2
Con el fin de determinar el valor de la lámina de agua para las condiciones de diseño
(QMD) y para las condiciones máximas y mínimas del río, se despeja el valor de H.
𝐻 =
𝑄
1.84𝐿
2
3

A causa de la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la correspondiente
corrección de la longitud del vertimiento.
𝐿´ = 𝐿 − 0.1 𝑛𝐻
Donde L: Longitud del vertedero, n : número de contracciones y H la carga sobre la
cresta del vertedero. La velocidad del agua al pasar por la rejilla está dada por:
𝑉
𝑟=
𝑄
𝐿´𝐻
Por lo general esta se encuentra comprendida ente 0.3 y 3 m/s

Como se mencionó anteriormente para determinar el ancho del canal de aducción que es
el cual va a recibir el agua captada por la rejilla, se debe garantizar una velocidad y
emplear las ecuaciones del alcance del chorro y se puede estimar mediante la siguiente
ecuación:
Ancho del canal de aducción:
𝑋𝑠 = 0.36 ∗ 𝑉
𝑟
2
3
+ 0.60 ∗ 𝐻
4
7 ; 𝑋𝑖 = 0.18 ∗ 𝑉
𝑟
4
7
+ 0.74 ∗ 𝐻
3
4; 𝐵 = 𝑋𝑠 + 0.10
Dónde:
𝑋𝑠 = Alcance filo superior (m); 𝑋𝑖 = Alcance filo inferior (m); 𝐻 = Profundidad de la
lámina de agua sobre la presa(m); B = Ancho del canal de aducción (m): 𝑉
𝑟 = Velocidad
del río (m/s);

Figura 7. Captación a través de la rejilla al canal de aducción

Rejilla: Es conveniente que se empleen barras en la dirección del flujo el agua captada por la
rejilla, el área neta de la rejilla se determina según la siguiente expresión:
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 = 𝑎 ∗ 𝐵 ∗ 𝑁
Dónde: 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 = área neta de la rejilla (m^2); a = Separación entre barrotes (m); N = Número de
orificios entre barrotes.
La superficie total de la rejilla es aproximadamente:
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ≈ (𝑎 + 𝑏) ∗ 𝐵 ∗ 𝑁
Dónde:𝑏 = Diámetro de cada barrote o varilla (m):

La relación entre el área neta y total es:
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑎
(𝑎 + 𝑏)
→→→→→ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 =
𝑎
(𝑎 + 𝑏)
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
Reemplazando el área total en función de la longitud real se tiene:
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 =
𝑎
(𝑎 + 𝑏)
𝐵 ∗ 𝐿𝑟

El caudal que pasa a través de la rejilla se puede calcular con:
𝑄 = 𝐾 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 ∗ 𝑉𝑏
Dónde: 𝐾 = 0.90 cuando el flujo es paralelo a la sección; 𝑉𝑏
velocidad entre barrotes (máxima de 0.20 m/s para disminuir el
arrastre de sólidos hacia la rejilla.

Niveles en el canal de aducción:
Suponiendo que todo el caudal se capta al
inicio del canal como lo muestra la figura
8. El nivel de la lámina de agua arriba, se
obtiene por medio del un análisis de
cantidad de movimiento en el canal.
ℎ0 = 2ℎ𝑒
2 + ℎ𝑒 −
𝑠𝐿𝑐
3
2
1
2
−
2𝐿𝑐
3
Dónde: ℎ0 = Profundidad agua arriba (m); ℎ𝑒 = Profundidad
agua abajo (m); ℎ𝑐 = Profundidad crítica (m);. 𝑠 = pendiente
del fondo del canal; 𝑔 = aceleración de la gravedad (9.81
m/s^2); 𝐿𝑐 = Longitud del canal = longitud de la rejilla mas el
espesor del muro (m).

Bocatoma de Fondo
Para que la entrada a la cámara de
recolección se haga a descarga libre se
debe cumplir:
ℎ𝑒 = ℎ𝑐; ℎ𝑐 =
𝑄2
𝑔∗𝐵2
1
3
Dónde: ℎ0 = Profundidad agua arriba
(m); ℎ𝑒 = Profundidad agua abajo (m);
ℎ𝑐 = Profundidad crítica (m);. 𝑠 =
pendiente del fondo del canal; 𝑔 =
aceleración de la gravedad (9.81 m/s^2);
𝐿𝑐 = Longitud del canal = longitud de la
rejilla mas el espesor del muro (m). Figura 9. Rejilla de Captación

Bocatoma de Fondo
Diseño de la cámara de recolección: se debe emplear las ecuaciones del alcance del
chorro, pero reemplazándolos por las condiciones de inicio.
𝑋𝑠 = 0.36 ∗ 𝑉
𝑒
2
3
+ 0.60 ∗ ℎ𝑒
4
7
; 𝑋𝑖 = 0.18 ∗ 𝑉
𝑒
4
7
+ 0.74 ∗ ℎ𝑒
3
4
; 𝐵𝑐 = 𝑋𝑠 + 0.30
Para que en la ecuación de dimensionamiento de la cámara de recolección sea válida, la
velocidad a la entrada de la cámara de recolección, Ve, debe ser mayor a 0.3 m/s y menor a
3 m/s.
Se debe tener en cuenta que los cálculos hidráulicos establecen las condiciones mínimas de
la cámara de recolección, es indispensable que las dimensiones de la cámara sean mínimas
para realizar el mantenimiento:

Bocatoma de Fondo
Figura 10. corte transversal en el canal de aducción Figura 11. corte de la cámara de recolección

Bocatoma de Fondo
Desagüe del canal de exceso : Se debe tener en cuenta que por encima de la rejilla pasará
un caudal superior al caudal de diseño (máximo y promedio), por lo tanto, se tendrá una
lámina de agua superior a la de diseño. Para estimar el caudal que capta la rejilla se puede
emplear la ecuación del orificio.
𝑄𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 2𝑔 ∗ 𝐻
Dónde: 𝑄𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜 = caudal captado (m^3/s); 𝐶𝑑 = coeficiente de descarga
(m); 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎= área neta (m^2); 𝐻 = altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m):
𝑄𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 = 𝑄𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜 − 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜

La siguiente es la información de caudales del río y levantamiento topográfico.
➢Ancho promedio del cauce: 3,0 m
➢Caudal mínimo: 0.25 m^3/s
➢Caudal promedio: 0.70 m^3/s
➢Caudal Maximo: 2.0 m^3/s
Población al final del periodo de diseño: 5033 habitantes
Dotación 140 (L/hab/día)
Caudal medio diario q= 8.155 L/s
K1= 1.3
Caudal máximo diario QMD=1.3(8.155)=10.602L/S
Caudal Diseño= 3QMD= 31.805L/S
Ejemplo de diseño de la
bocatoma de fondo.

bocatoma de fondo.
Teniendo en cuenta el ancho del río se propone un ancho de 2 metros, por lo tanto, la lámina de
agua en las condiciones de diseño es de:
𝐻𝐷 =
3/2 0.0318
1,84 ∗ 2.0
→→→→→→ 𝐻𝐷 =
0.0318
1,84 ∗ 2.0
2
3
= 0.0421 ≈ 4.2 𝑐𝑚
La corrección para los dos laterales es:
𝐿′
= 𝐿 − 0.1𝑛𝐻 →→→→ 𝐿′
= 2.0 − 0.1 ∗ 2 ∗ 0.0421 →→→ 𝐿′
= 1.99 𝑚
La velocidad del río sobre la presa es:
𝑉
𝑟 =
𝑄
𝐿′ ∗ 𝐻
→→→→ 𝑉
𝑟 =
0.0318
1.99 ∗ 0.0421
→→→ 𝑉
𝑟 = 0.38
𝑚
𝑠

bocatoma de fondo.
Diseño de la rejilla y canal de aducción:
Con las ecuaciones del alcance del chorro
se determina el ancho del canal:
𝑋𝑠 = 0.36 ∗ 0.38
2
3
+ 0.60 ∗ 0.042
4
7 →→
→ 𝑋𝑠 = 0.287 ≈ 0.29 𝑚
𝑋𝑖 = 0.18 ∗ 0.38
4
7
+ 0.74 ∗ 0.042
3
4 →→
→ 𝑋𝑖 = 0.172 ≈ 0.17 𝑚;
B = 0.29 + 0.10 = 0.39 ≈ 0.40 𝑚

bocatoma de fondo.
Longitud de la rejilla y número de orificios: Se adoptan barrotes de ¾ (0.0191
m) con una separación entre ellas de 5 cm, asimismo, se supone una velocidad
entre varillas igual a 0.2 m/s:
𝑄 = 𝐾 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 ∗ 𝑉𝑏 → 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 → 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 =
𝑄
𝐾∗𝑉𝑏
→ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 =
0.0318
0.90∗0.2
→
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 = 0.177 𝑚2
Reemplazando el área total en función de la longitud real se tiene:
𝑎
(𝑎 + 𝑏)
𝐵 ∗ 𝐿𝑟 → 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 →→→ 𝐿𝑟=
0.177 ∗ 0.05 + 0.0191
0.05 ∗ 0.4
→ 𝐿𝑟 = 0.61 𝑚
Se adopta la longitud de la rejilla en 0.70 m, teniendo en cuenta la longitud mínima
de la rejilla por lo tanto es necesario recalcular.

bocatoma de fondo.
Se adopta la longitud de la rejilla en 0.70 m, por lo tanto es necesario
recalcular.
𝑎
(𝑎 + 𝑏)
𝐵 ∗ 𝐿𝑟 →→→ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 =
0.05
0.05 + 0.0191
0.40 ∗ 0.70 = 0.203 𝑚2
El número de orificios es:
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 = 𝑎 ∗ 𝐵 ∗ 𝑁 →→→ 𝑁 =
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎
𝑎 ∗ 𝐵
→→→ 𝑁 =
0.203
0.05 ∗ 0.4
= 10.15 ≈ 11 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠

bocatoma de fondo.
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 = 0.05 ∗ 0.4 ∗ 11 = 0.22 𝑚2
𝑄 = 𝐾 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 ∗ 𝑉𝑏 → 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜
𝑉𝑏 =
0.0318
0.9∗0.22
= 0.161
𝑚
𝑠
𝐿𝑟 =
0.22 ∗ 0.05 + 0.0191
0.05 ∗ 0.4
= 0.76𝑚

bocatoma de fondo.
Niveles de agua en el canal de aducción: Aguas abajo.
ℎ𝑒 = ℎ𝑐→ ℎ𝑐 =
𝑄2
𝑔∗𝐵2
1
3
→ ℎ𝑐 =
0.03182
9.81∗0.42
1
3
= 0.086 𝑚
Aguas abajo: 𝐿𝑐 = 𝐿𝑟 + 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑚𝑢𝑟𝑜 = 0.76 + 0.3 =1.06 se adopta una
pendiente S = 3%:
ℎ0 = 2ℎ𝑒
2 + ℎ𝑒 −
𝑠𝐿𝑐
3
2
1
2
−
2𝑠𝐿𝑐
3
ℎ0 = 2 ∗ 0.0862
+ 0.086 −
0.03 ∗ 1.06
3
2
1
2
−
2 ∗ 0.03 ∗ 1.06
3
= 0.122𝑚

bocatoma de fondo.
La altura total de los muros del canal de aducción:
𝐻0 = ℎ0 + 𝐵𝐿 = 0.122+0.15→ 𝐻0 = 0.272𝑚 ≅ 0.28𝑚
𝐻𝑒 = 𝐻0 + 𝑠 ∗ 𝐿𝑐 = 0.28+(0.03∗1.06)→ 𝐻𝑒 = 0.312 ≈ 0.31 𝑚
La velocidad del agua al final del canal es:
𝑉
𝑒 =
𝑄
𝐵 ∗ ℎ𝑒
→→→ 𝑉
𝑒 =
0.0318
0.4 ∗ 0.086
= 0.92
𝑚
𝑠
𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜

bocatoma de fondo.
Diseño de la cámara de recolección: se debe emplear las ecuaciones del alcance del chorro,
pero reemplazándolos por las condiciones de inicio.
𝑋𝑠 = 0.36 ∗ 0.92
2
3 + 0.60 ∗ 0.086
4
7 =→→ 𝑋𝑠 = 0.49 ≈ 0.50
𝑋𝑖 = 0.18 ∗ 0.92
4
7 + 0.74 ∗ 0.086
3
4 = 0.29 𝑚
B = L = 𝑋𝑠 + 0.30 →→→→ B = 0.50 + 0.30 →→→ B = 0.80 𝑚

bocatoma de fondo.
Figura 11. corte de la cámara de recolección
Por facilidad, acceso y
mantenimiento, se adopta una
cámara cuadrada de 1.50 m. El
borde libre de la cámara es de
0.15 metros. Se adopta 0.40 m al
fondo que debe verificarse
cuando se calcule la aducción.

bocatoma de fondo.
Cálculo de la altura de los muros de contención: se debe tener en cuenta el caudal
máximo del río, en este caso es 2.0 m^3/s.
𝐻𝑚𝑎𝑥 =
3/2 𝑄
1,84∗2.0
→→→→ 𝐻𝑚 =
2
1,84∗2.0
2
3
= 0.67 𝑚
Cálculo del caudal de exceso: se debe tener en cuenta el caudal promedio del río, en este
caso es 0.7 m^3/s.
𝐻𝑚𝑒𝑑 =
3/2 𝑄
1,84 ∗ 2.0
→→→→ 𝐻𝑚 =
0.7
1,84 ∗ 2.0
2
3
= 0.33 𝑚
𝑄𝑚𝑒𝑑𝑖 = 𝑄𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑎 2𝑔 ∗ 𝐻 →→→
𝑄𝑚𝑜 = 0.3 ∗ 0.22 2 ∗ 9.81 ∗ 0.33 = 0.168
𝑚3
𝑠

bocatoma de fondo.
Caudal de exceso:
𝑄𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 = 𝑄𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜 − 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 0.168 − 0.0318 = 0.136𝑚3/𝑠
Condiciones en el vertedero de exceso:
𝐻𝑒𝑥𝑐 =
3/2 𝑄
1,84 ∗ 1.5
→→→→ 𝐻𝑚 =
0.136
1,84 ∗ 1.5
2
3
= 0.134 𝑚

bocatoma de fondo.
Fondo del río en el punto de captación
✓Fondo del río = 100 msnm
Lámina sobre la presa
✓ Diseño = 100 + 0.042 = 100.042 msnm
✓Medio = 100 + 0.33 = 100.33 msnm
✓Máximo = 100 + 0.67 = 100.67 msnm
✓ Corona de los muros de contención = 100 + 1.0 = 101 msnm

bocatoma de fondo.
Canal de aducción
✓ Fondo aguas arriba = 100 – 0.28 = 99.72 msnm
✓ Fondo aguas abajo = 100-0.31= 99.69 msnm
✓Lámina aguas arriba = 99.72 + 0.122 = 99.842msnm
✓Lámina aguas abajo = 99.72 + 0.086 = 99.806 msnm
Cámara de recolección
✓Lámina de agua = 99.69 – 0.15 = 99.54 msnm
✓Cresta del vertedero de exceso = 99.54 – 0.134 =99.406 msnm
✓ Fondo = 99.406– 0.40 = 99.006 msnm

Literatura citada
• Hidráulica de canales abiertos, Ven te Chow
• Torres Herrera Francisco. Obras Hidráulicas.
• Materon Muñoz Hernán. Obras Hidráulicas Rurales.
• Romero, F. H. C., & Serna, J. I. D. (1993). Acueductos: teoría y
diseño. Universidad de Medellin.
• López Cualla. Ricardo A. Elementod de Diseño para Acueductos y
alcantarillados.

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