Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal.
2. Módulos del Diplomado-OBRAS
HIDRAULICAS
Modulo 1.
CANALES HIDRAULICOS
Modulo 2.
DISEÑO DE OBRAS DE
ARTE EN CANALES
Modulo 3.
OBRAS DE CAPTACION Y
PROTECCION
Modulo 4.
OBRAS ESPECIALES
HIDRAULICAS,
EXPEDIENTE TECNICO Y
MANTENIMIENTO DE
ESTRUCTURAS
3. MODULO-3:
OBRAS DE CAPTACION
Y PROTECCION
• I. DISEÑO DE BOCATOMAS Y
DEFENSAS RIBEREÑAS
• II. COMPUERTAS METÁLICAS
PLANAS Y RADIALES
4.
5. I. DISEÑO DE BOCATOMAS Y DEFENSAS
RIBEREÑAS
1.1 Diseño de Bocatomas
1.2 Diseño de Defensas Ribereñas
6. 1.1 DISEÑO DE
BOCATOMAS
1.1.1 Desarrollo histórico de las bocatomas
1.1.2 Análisis y tratamiento de datos de
descarga
1.1.3 Diseño Hidráulico
1.1.4 Planos de Diseño
7. 1.1 DISEÑO DE BOCATOMAS
1.1.1 Desarrollo histórico de las bocatomas
Fue con la llegada del ingeniero Charles Sutton, que la Ingeniería Hidráulica en el Perú
retoma la senda del progreso; y en compañía de jóvenes ingenieros peruanos (Lizandro
Mercado-padre, Góngora, Lama, Gilardi, y otros) logran la concepción y en algunos casos
la construcción de algunas obras hidráulicas nuevas o complementarias que permitieron
el incremento de la frontera agrícola.
A raíz de la presencia de las entidades crediticias internacionales tales como: BIRF, BID,
AID, KfW, JICA, etc., es cuando se logra retomar una nueva etapa o repunte de la
construcción de pequeñas, medianas y grandes irrigaciones y/o proyectos de
recuperación de terrenos agrícolas.
Dentro de este contexto se han desarrollado los proyectos de mejoramiento de riego, en
los cuales una de las principales partes del proyecto ha sido la construcción de nuevas
obras de captación de agua en reemplazo de captaciones rusticas desde la fuente del
suministro (mayormente rio).
8. Definición.-
Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un
río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del
caudal de la corriente principal.
Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captación, el
que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir. Así por
ejemplo, el caudal de captación de la bocatoma Los Ejidos, sobre el río Piura,
Proyecto Chira-Piura, es de 60 m3/s.
Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para
el éxito de un proyecto. Si por una razón u otra se produce una falla importante en la
obra de toma, esto significaría la posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de
Aprovechamiento Hidráulico. En consecuencia, tanto el diseño como la construcción,
la operación y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el máximo
de seguridad.
El diseño de una obra de toma puede ser un problema muy difícil, en el que debe
preverse la interacción estructura-naturaleza. La obra de toma, cualquiera que sea
su tipo, es un elemento extraño en contacto con el agua. Es decir, que la estructura
va a producir inevitablemente alteraciones en el medio natural circundante y, a la
9. El diseño de una obra de toma puede ser un problema muy difícil, en el que debe
preverse la interacción estructura-naturaleza. La obra de toma, cualquiera que sea
su tipo, es un elemento extraño en contacto con el agua. Es decir, que la estructura
va a producir inevitablemente alteraciones en el medio natural circundante y, a la
vez, la naturaleza va a reaccionar contra la obra. Esta interacción que se presenta al
construir la obra, y en el futuro al operarla, debe ser prevista y contrarrestada
oportuna y debidamente. La estabilidad y la vida de una bocatoma están asociadas
al concepto de Avenida de Diseño.
DEFORMACIONES DEL LECHO FLUVIAL
10. La ingeniería en el diseño de una bocatoma.-
En el diseño de una obra de toma se requiere emplear al máximo los conocimientos del ingeniero. Las cinco
fases correspondientes a una bocatoma son: a) Planeamiento b) Diseño c) Construcción d) Operación, y e)
Mantenimiento.
Son numerosos los aspectos de la ingeniería en general y de la ingeniería hidraulica en particular que
intervienen en el diseño de una obra de toma. Prácticamente debe emplearse a plenitud casi todas las
especialidades de la ingeniería. Pero, además intervienen otros aspectos de la ingeniería. Sin pretender que la
relación sea limitativa se presenta a continuación una relación de los principales temas vinculados al diseño
de una obra de toma. Ellos son:
a) Estudio de la Demanda
b) Topografía
c) Meteorología
d) Hidrología
e) Transporte de Sedimentos
f) Hidráulica Fluvial
g) Geología y Geotecnia
h) Geodinámica
i) Sismicidad
j) Materiales de Construcción
k) Diseño Hidráulico
l) Diseño Estructural
m) Diseño Electromecánico
n) Procedimientos de Construcción
o) Modelos Hidráulicos
p) Costos y Presupuestos
q) Análisis Económico y Financiero
r) Estudio de Impacto Ambiental
11. 1.1.2 Análisis y tratamiento de datos de descarga
El diseño de estructuras hidráulicas esta íntimamente ligado al conocimiento
de las descargas de un río; en el caso de bocatomas importa de manera especial la
descarga máxima, el valor medio y los valores mínimos; así como la ley de
probabilidad de ocurrencia de los mismos.
Dependiendo de la magnitud de la obra a diseñar puede ser también necesario
conocer algunos elementos complementarios que permitan adecuar la
operación de las estructuras al comportamiento del cauce.
El problema que comúnmente enfrentamos en el país es la falta de un registro
histórico extenso y consistente que permita implementar las metodologías
comúnmente conocidas en el tratamiento de la información, por lo que es
importante considerar aquellas metodologías que permitan inferir valores de diseño
bajo estas circunstancias.
Conviene señalar que existen diversas metodologías para el tratamiento
de la información:
12. 1.- Metodología de cálculo
Cuencas con Registros
En este caso podemos observar la posibilidad de que se disponga de registros suficientes en la
sección de interés para el diseño, o que la misma se halle a cierta distancia aguas arriba o abajo
de la sección de control y por lo tanto muestre diferencias en cuanto a valores de descargas
con relación a las disponibles.
2.- Análisis de Máximas Avenidas
Si disponemos suficiente información, esto es una serie de registros de 15 años a más y
disponemos de un valor por cada año, el procedimiento de cálculo es el convencional, esto es, el
uso de una serie anual.
La serie anual a parcial se ajusta luego a cualquiera de las funciones teóricas de probabilidad
más conocida entre ellas:
- Gumbel
- Log-Pearson III
- Log-Normal II y III
3.- Caudal Medio
Curva de Duración
Una forma muy usual de representar la distribución de valores de caudales es mediante la curva
duración. Esta curva muestra el porcentaje de tiempo que un especificado caudal fue igualado o
excedido durante el periodo de análisis o registro.
4.- Caudal Mínimo
.- Curva de Frecuencias Empíricas
.- Curva de Distribución de Probabilidades
13.
14. 1.1.3 Diseño Hidráulico
Antes de comenzar a detallar los criterios más difundidos sobre diseño de bocatomas,
precisar sobre la necesidad, tipos y partes que componen la bocatoma.
Es común que los terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a
considerable distancia del cauce del río de donde se pretende obtener el agua, o en
algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del
agua en el río. En consecuencia es necesario remontar el río con la finalidad
de encontrar un lugar apropiado topográficamente que permita el riego de dichos
terrenos, situación no siempre fácil de encontrar, ya que podría ser que
topográficamente sea factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no
sea lo apropiado; por lo que a veces es necesario formar la carga hidráulica mediante
la construcción de una presa de derivación que permita elevar el nivel de Ia superficie
del agua en el río a fin de que sea posible captar parte del caudal del río en forma
oportuna y eficiente.
15. A.- Tipos de Bocatomas
En lo referente a los tipos de bocatomas, podemos clasificar en 4, a saber:
a. Toma directa
Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general
es un brazo fijo del río que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Su
mayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azud que por lo general
constituye una de las partes de mayor costo. Tiene la desventaja de verse obstruida
fácilmente en época de crecidas.
b. Toma Mixta o Convencional
Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del río con una estructura
llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fija o móvil dependiendo del tipo del
material usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido, por lo general concreto, y
será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera.
c. Toma Móvil
Se llama así aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil.
Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada 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 a nivel de agua adecuado.
d. Toma Tirolesa o Caucasiana
Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, en
un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales
gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es
intenso, ye que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.
16.
17. B.- Condición del Lecho de la Presa de Derivación
Es muy importante investigar el sub-suelo donde se apoyará la presa, ya que el
conocimiento de éste permitirá fijar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas en el
diseño.
La investigación del sub-suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades de
determinación de la capacidad admisible de carga y de evaluación de la erodibilidad del
lecho.
Los siguientes son los métodos directos usados con fines de exploración del sub-suelo:
a.- Perforación
Permite identificar et tipo de materiales que conforman el lecho, determinar Ia
estructura del subsuelo y obtener muestras para ensayos de mecánica de suelos.
b.- Calicatas
Permiten una visualización directa de los estratos y del lecho del río, asimismo se
pueden obtener muestras para ensayos y determinación de la Capacidad Portante del
terreno. Se le considera el método más apropiado.
c.- Sondeos
1.- Ensayo de Penetración Standard (SPT)
Debido a su simplicidad su uso está muy difundido. Normalmente se le usa con una
perforadora rotatoria para atravesar los estratos gravosos en los que el SPT es
inoperante.
2.- Ensayo con el Penetrómetro Dinámico Ligero (PDL)
Se utiliza en suelos arenosos, limosos a arcillosos. Como en el caso del SPT, no es aplicable
a suelos gravosos ni rocas.
18. C.- Determinación del Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero
Existen básicamente dos tipos de cimentación de barraje vertedero; los del tipo flotante o
sean aquellas que están apoyadas directamente sobre el material conformarte del lecho del
río (arena y grava); o aquellas que se apoyan sobre material rocoso, a los cuales se les
conoce como el tipo fijo.
TIPOS DE CIMENTACION
19. D.- Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el Móvil
Si un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema
durante la época de avenida, la longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del
canal de limpia gruesa.
En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenida, aumentando el
nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario
aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar problemas
de inundación.
El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud móvil (Lm)
es que sus longitudes deben permitir pasar caudales Qm (Caudal por Zona Móvil) y Qf
(Caudal por Zona Fija) que, sumados den el caudal de diseño es decir:
Qm + Qf = Qd
20.
21.
22. E.- Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero
Tal como se explico anteriormente, el hecho de construir el barraje en el cauce del río, causa
la formación de una sobre elevación del nivel de agua delante del vertedero que genera
problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, obras de arte hidráulicas (alcantarillas,
sistema de drenaje, etc.), por lo que es necesario determinar la curva de remanso formada
para analizar y solucionar los problemas causados.
En este curso recomendamos el uso de los siguientes métodos:
- Método del Paso Directo (Direct Step Method)
- Método aproximado
El Método aproximado da con bastante precisión la longitud total (1) del remanso y permite
tener una idea del efecto del remanso hacia aguas arriba.
23. F.- Barraje Vertedero o Azud.
1.- Altura del Barraje Vertedero
La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en el
río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal de
derivación. Es decir, obliga al agua a entrar a la captación.
También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta. Es decir debe
permitir el paso de las grandes avenidas, específicamente de la Avenida de Diseño.
De acuerdo a la figura se puede definir que la cota Cc de la cresta del barraje vertedero
será:
Cc = Co + ho + h + 0.20 (en metros)
24. 2.- Forma de la Cresta del Barraje Vertedero
Es recomendable dar formas a la cresta de modo tal que eviten la presencia de presiones
negativas que podrían generar capitación que causen daños al concreto.
La sección de barraje vertedero deberá ir tomando forma para resistir a las solicitaciones de
las fuerzas debido a la presión del agua, efectos sísmicos, empuje de tierras y supresión.
25. 3.- Solado o Colchón Disipador
3.1.- Longitud del Solado o Colchón Disipador
Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento de
energía potencial que, al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en
energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen estructuras de disipación,
conocidas como: solados (apron), colchón disipador (stilling basin), etc., que buscan o tienen
por objetivo formar un salto hidráulico que logra disipar la energía cinética ganada por el
barraje vertedero.
A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del
colchón disipador y de los tirantes conjugados (d1 y d2) necesarios para la formación
apropiada del salto hidráulico.
a. Cálculo de d1 (tirante al pie del barraje vertedero):
26. Donde:
Co : cota del terreno en 0
C1 : cota del colchón disipador
P : altura del barraje
H : altura de lámina vertiente
d1 : tirante del río al pie del talud
hf 0-1 : pérdida por fricción entre 0 y 1
VH : velocidad en Ia cresta del barraje vertedero
V1 : velocidad al pie del talud
b.- Calculo del tirante conjugado d2
De la conservación de la fuerza especifica o momento entre la sección 1 y 2, se tiene:
Donde:
dn : tirante normal en el río
r : profundidad del colchón disipador
Lo que se buscar es un salto sumergido en el colchón disipador, es que:
dn + r = 1.15 x d2
27. c.- Cálculo de la longitud del colchón disipador
Conocidos los tirantes conjugados (d1 y d2) es posible calcular la longitud necesaria para que
se produzca el salto hidráulico. Existen varias fórmulas empíricas y experimentales que se dan
a continuación, y que por lo general dan valores un poco conservadores pero que orientan para
la toma de decisiones en el diseño final.
L = (5 a 6) x (d2-dl ) (Schoklitsch)
L = 4 d2 (U.S. Bureau of Reclamation)
Y el método gráfico de U.S. Bureau of Reclamation:
28.
29. 4.- Espesor del Colchón Disipador
Para resistir el efecto de la supresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje
que ocasiona la supresión.
La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del solado debe ser mayor que la
supresión, es decir:
e = (4/3). (h/(SGs- 1)) se recomienda
e = 0.90 m
SGs = gravedad especifica del suelo
h = Dh – hf
hf = Dh. (Sp / Sr)
Sp :camino de percolación parcial
Sr :camino de percolación total
30. 5.- Enrocado de Protección o Escollera
Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado (rip - rap) con el fin de reducir el efecto
erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.
31. La longitud de escollera recomendada por Bligh es:
Ls = Lt – Lo
Donde:
Db : altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo el colchón disipador y la cota de la cresta
del barraje vertedero, en m.
D1 : altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota
de la cresta del barraje vertedero, en m.
q : avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero.
C : coeficiente de Bligh. Ver tabla:
32. 6.- Control de Filtración
El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de
tubificación: este problema se agrava cuando el terreno es permeable.
El ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en Ia India, recomendando que el camino que recorre el
agua por debajo del barraje vertedero (camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre
los extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es decir:
S = C. Dh
Donde:
S : camino de percolación
C : coeficiente de Bligh
Dh : diferencia de nivel entre el nivel aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero
33. Asimismo; se acostumbra a poner zampeado aguas arriba del vertedero, sobre todo cuando el suelo es permeable, con el
fin de alargar el camino de percolación así como dar mayor resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de
erosión, en especial en épocas de avenidas. La longitud recomendada por la experiencia es tres veces la carga sobre la
cresta.
La figura muestra el perfil del barraje vertedero con los elementos dimensionados.
34. G.- Canal de Limpia
1.- Velocidad Requerida para el Canal de Limpia
El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de
derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su
ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo
entre 60 y 90 con el eje de la captación.
En los referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad
(Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados.
La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula:
Vo = 1.5 V
Donde:
Vo : es la velocidad requerida para iniciar el arrastre.
c : coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada;
de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava.
d : diámetro del grano mayor.
V : velocidad de arrastre.
36. 2.- Ancho del Canal de Limpia
El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:
37. Siempre es recomendable que se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre,
sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.).
Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho mínimo sea de 5 metros o
múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación recomendable para normar el ancho del canal de limpia.
A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de
limpia:
a. Caudal en la zona de limpia
Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del
rió.
b. Velocidad en la zona de Limpia
Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s
c. Ancho de la zona de Limpia
Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje. La longitud total de los vertederos fijo y canal de limpia debe ser la
necesaria para el paso de la avenida de diseño.
38. 3.- Pendiente del Canal de Limpia
Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de limpia. La fórmula recomendada
para calcular la pendiente critica es:
Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de la ventana de captación debe estar por debajo
del umbral de ésta entre 0.60 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del
colchón disipador.
41. H.- Toma o Captación
1.- Criterios generales.-
A continuación se tratará de la estructura de captación o toma, la cual está ubicada por lo general aguas arriba del barraje
vertedero, siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea en mínimo.
Constituyen la toma propiamente dicha. Se trata de uno o más vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan
hidráulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidráulica que permite el ingreso del agua se origina
como consecuencia de la altura de la presa derivadora.
Las ventanas pueden tener compuertas o no y suelen llevar rejillas de protección contra el ingreso de cuerpos extraños, las
que pueden estar provistas de limpiar rejas.
En lo que respecta a su cimentación es recomendable que el lugar elegido reúna condiciones favorables de geología (es
preferible buscar roca para asentar la estructura), de topografía (que disponga de una cota suficientemente a fin de disminuir
las obras complicadas), y de facilidad constructiva (objetivo básico para reducir los costos de construcción).
Compuertas de captación. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivación. Pueden estar ubicadas como
parte de las ventanas de captación, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente aguas abajo de las
ventanas de captación, podrían estar ubicadas más hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeñas
puede tratarse de una sola compuerta.
42. 2.- Estructuras Componentes de la Toma
Tal como se muestra en la figura, las partes de una toma de acuerdo al sentido del flujo del agua derivado son las
siguientes:
43. a.- Rejillas (Trash Racks)
Su objetivo básico es impedir que los materiales de arrastre y suspensión
ingresen al canal de derivación, los cuales causan obstrucción y desborden aguas
abajo de la captación.
Las rejillas platinas unidas mediante soldadura formando paneles. La separación
entre rejillas se recomienda tomarla de eje a eje; y dependiendo del tipo de material
que se quiere impedir su ingreso la separación variará entre 0.025m y 0.10m
(material fino) y de 0.10m a 0.20m (material grueso), recomendándose que las
rejillas de menor separación en la parte superior.
La colocación de la rejilla puede ser vertical o con una pequeña inclinación de
1:1/4 para facilitar su limpieza.
La principal objeción de colocar rejillas es que causa pérdidas, las cuales deben ser
consideradas durante el dimensionamiento de la altura del vertedero y en el cálculo
del tirante en el canal de derivación.
La pérdida de carga que ocasiona una rejilla se puede calcular por la fórmula:
46. b.- Ventana de Captación
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captación debido a que se encuentra a una
altura de 0.60 m. del piso del canal de limpia como mínimo (Ver figura). Sus dimensiones son calculadas en función del
caudal a derivar y de las condiciones económicas más aconsejables.
Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las siguientes recomendaciones:
Ho : altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m. como mínimo.
Otros recomiendan ho > H/3, aunque es obvio que cuanto mayor sea ho menor será el ingreso de caudal sólido.
h : altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la formula de vertedero:
47. En conclusión; los parámetros de la ventana de captación están íntimamente relacionados, pero siempre es necesario
tener en cuenta el factor económico en el diseño.
49. c.- Cámara de Decantación o Desripiador
Después que el agua rebosa el vertedero de la ventana de captación, es necesario atrapar o decantar el material que ha
podido pasar a través de la rejilla; a esta estructura que realiza la decantación y aquietamiento del agua antes que éste
ingrese a la zona de compuertas de regulación, se le conoce como cámara de carga, cámara de decantación a desripiador.
En lo referente a su diseño, es preferible diseñar en función de generar una velocidad que permita un arrastre del
material que pudiera ser decantado, para lo cual es necesario dar una fuerte pendiente paralela al flujo en el río; pero
esto está limitada por la cota de salida que le permite al río, sobre todo en épocas de avenidas. Se recomienda una
pendiente mayor de 2%.
Asimismo es conveniente que la compuerta de limpia tenga una abertura capaz de descargar el caudal de derivación en
el mejor de los casos, pero es practica común darle un ancho de 1.50 m. a la compuerta.
50. d.- Compuerta de Regulación
Son aquellas compuertas que regulan el ingreso del caudal de derivación hacia el canal principal. Por lo general se
recomienda que el área total de las compuertas sea igual al área del canal conducto aguas abajo.
Asimismo se recomienda que la velocidad de diseño sea de 2.0 a 2.5 m/s.
El caudal que pasa por cada compuerta se calcula mediante la siguiente fórmula:
51. En la formula, conociendo V (del valor de diseño recomendado), se determina h (por lo general se estima entre 0.15 a
0.30 m) y luego se halla el valor de A.
Cuando se tiene una luz grande es conveniente dividir la luz en varios tramos iguales para disponer de compuertas
más fáciles de operar.
e.- Transición
De acuerdo al criterio del diseñador, algunas veces se suele unir las zonas de las compuertas con el canal mediante
una transición. que a la vez permite reducir las pérdidas de carga. Para determinar la longitud requerida se aplica el
siguiente criterio:
L = (b1-b2) / (2tg12°30’)
Donde:
b1 : ancho de la zona de compuertas
b2 : ancho del canal de derivación
52. f.- Estructuras de Disipación
Coma producto de la carga de posición ganada por colocación de la cresta del vertedero de derivación a una altura sobre
el lecho del río, se genera una diferencia entre el canal antiguo y la zona del bocal, que es necesario controlar mediante
la construcción de una estructura de disipación.
Esta estructura por lo general tiene un colchón o poza disipadora, que permite disipar dentro de la longitud de la poza
de energía cinética adquirida del flujo y así salir hacia el canal de derivación un flujo más tranquilo.
54. g.-Aliviaderos
En algunos casos por mala operación de las compuertas de regulación ingresa
mayor cantidad de caudal al canal de derivación; para controlar esta situación
no deseada es necesario colocar un aliviadero. Por lo general los aliviaderos se
colocan cerca de las compuertas de regulación.
56. Toma fotográfica que muestra la salida
desde la Bocatoma Talambo – Zaña, de los
Canales Principales: Talambo-Zaña y
Guadalupe
57. I. Muros de Encauzamiento
Son estructuras que permiten
encauzar el flujo del río entre
determinados limites con el fin
de formar las condiciones de
diseño preestablecidas (ancho,
tirante, remanso, etc.).
Estas estructuras pueden ser de
concreto simple o de concreto
armado. Su dimensionamiento
esta basado en controlar el
posible desborde del máxima
nivel del agua y evitar también
que la socavación afecte las
estructuras de captación y
derivación.
En lo referente a la altura de
coronación que estas
estructuras deben tener, se
recomienda que su cota superior
esté por lo menos 0.50 m por
58. J. Diques de Encauzamiento aguas arriba y aguas abajo de una Bocatoma
Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de la presa de derivación, en la medida en la que las
circunstancias topográficas lo requieran. Para que una bocatoma sea estable es necesario que lo
sea el tramo fluvial en el que está ubicada.
De acá que en muchas oportunidades haya que realizar el encauzamiento del tramo de río en las
inmediaciones de la obra de toma. Algunas veces los diques de encauzamiento se extienden a lo
largo de varios kilómetros. Su costo puede ser importante, pero resultan absolutamente necesarios.
Es necesario recordar que al construir una bocatoma se implanta un barraje o presa derivadora,
cuya altura generalmente es de unos pocos metros sobre el lecho del río. Esto determina una
sobreelevación de niveles hacia agua arriba, especialmente durante los grandes caudales. Como
parte del diseño, además de los trabajos topográficos, se requiere determinar el perfil hidráulico.
Si las condiciones topográficas así lo exigen habrá que considerar un encauzamiento.
59. 1.1.4 Planos de Diseño
CONDICIONES DE DISEÑO
Son varias las condiciones generales de diseño que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su tipo o
características. Entre las principales están las siguientes:
a) Asegurar la derivación permanente del caudal de diseño y de los caudales menores que sean requeridos.
En algún caso se admite una interrupción temporal del servicio.
b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseño, que tiene gran cantidad de sólidos y material
flotante. En zonas sujetas al Fenómeno de El Niño es mejor utilizar un Hidrograma de Diseño.
c) Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación. Muchas veces esta es la
clave del diseño eficiente.
d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista estructural y
constructivo.
e) Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentación.
f) Tener un costo razonable
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68. 1.2 DISEÑO DE DEFENSAS
RIBEREÑAS
1.2.1 Diques de encauzamiento
1.2.2 Medidas de ingeniería
1.2.3 Calculo del tamaño de roca
1.2.4 Planos de diseño
69. ESTUDIOS BASICOS:
a. Geología y Geotecnia
- Fallas
- Estratos
- resistencia del suelo
- Flujos subterráneos
- Estudio del material del cauce del rio
- Estudio de canteras, etc.
b. Topografía
c. Hidrología
- Descarga dominante
- Avenida de Diseño
d. Hidráulica Fluvial
- Velocidades y direcciones del flujo
- Máximos niveles de agua
- Fenómenos de socavación, etc.
e. Estudios de Impacto Ambiental
70. 1.2.1 Diques de encauzamiento
En la mayoría de los casos, al colocar un obstáculo (barraje) en un río, por un remanso hacia aguas arriba podría causar
inundaciones a los terrenos ribereños, situación no deseada que se podría agravar si el río forma un nuevo cauce como
consecuencia del remanso y que podría dejar aislada a la bocatoma. Para controlar esta situación se construyen diques de
encauzamiento por lo general del tipo escollera si existen canteras de rocas en la zona del proyecto.
Su dimensionamiento se realiza en función de la altura que puede alcanzar el tirante del agua en la zona de remanso:
usualmente, la cota del dique se debe colocar con un borde libre (B.L) de 0.50m por encima del tirante.
La figura presenta la sección típica recomendada.
71. 1.2.2 Medidas de ingeniería
Las medidas de ingeniería aplicadas en las defensas ribereñas son de dos
tipos:
– Revestimiento de Orillas
– Alejamiento del Flujo de Orillas
a.- Revestimiento de Orillas con Enrocados
72.
73. b.- Alejamiento del Flujo de Orillas
Las defensas en las márgenes se emplean para la protección de éstas contra la socavación y
destrucciones, y para conservar en la línea deseada las nuevas orillas de formación. Las
defensas de las márgenes en tramos rectos son necesarias en ambas orillas y en los tramos
curvos, solamente en la orilla exterior.
La acción erosiva de la corriente es mas pronunciada al pie de los taludes, de ahí que su
defensa deba ser allí mas solida que en las partes altas. El tipo de revestimiento mas
adecuado en cada sitio depende del valor que alcancen las máximas fuerzas de arrastre que
se presenten durante las crecidas, y de las posibilidades de que se produzcan notables
excavaciones del lecho del rio.
74.
75.
76. 1.2.3 Calculo del tamaño de roca
A continuación, se presentan dos métodos que permiten dimensionar el tamaño medio del enrocado.
El primer método emplea la siguiente fórmula:
77. El otro método recomendado es usando gráficos; el primer Gráfico-1 nos da el diámetro de la roca para iniciar el
movimiento, asumiendo peso específico de la roca igual a 2.64 Tn/m3 y en función de la fórmula:
Donde:
W: peso de la roca, en kg
V: velocidad media en el cauce, en m/s
Grafico-1
78. El segundo Gráfico-2 nos da la relación entre la velocidad media actuante sobre la roca (Vo) y la velocidad media
en el cauce (V) mediante la siguiente fórmula:
Este método se basa en que, por lo general, se conoce
el tirante en el cauce (d), la velocidad en el río (V) y se
desea conocer el diámetro nominal de la roca (k) para
resistir una velocidad media sobre ella.
Grafico-
2
El proceso consiste en asumir un diámetro (k) y
aplicando la ecuación calcular (Vo), luego se
comprueba el valor del diámetro supuesto con la
utilización del Gráfico-1 que permite ajustar el valor
del diámetro supuesto.
79. Filtro.-
Es recomendable que el enrocado descanse sobre un filtro cuya misión es impedir que el agua al entrar en contacto con
el talud se introduzca por los intersticios y que podría arrastrar el material conformarte del núcleo del enrocado.
La curva del material de filtro debe tener una graduación paralela al material de base apoyo.
Para el filtro en mención, se recomienda que cumpla las siguientes especificaciones:
Donde:
D15f : diámetro de grano del material de filtro del cual el 5% de todos los granos son más pequeños.
D15b : diámetro de grano en el material de base del cual el 15% de todos los granos son más pequeños.
D85f : diámetro del grano del material del filtro del cual el 85% de todos los granos son más pequeños.
D85b : diámetro del grano del material de base del cual el 85% de todos los granos son más pequeños.
M : mayor dimensión de abertura entre rocas, a través del cual el filtro va a defender el arrastre del material
conformante del dique.
La curva del material de filtro debe tener una graduación paralela al material de base apoyo.
80. Profundidad de socavación.-
El cálculo de la socavación general es aun un tema no completamente resuelto.
La erosión general se estima mediante fórmulas empíricas, sustentadas con coeficientes obtenidos en
laboratorio.
81. Un método válido para estimar la erosión general en suelo granular y en suelo no cohesivo es el Método
de Lichtvan – Lebediev.
DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS Y UNIDADES
ds Tirante después de producirse la socavación (m) Qd Caudal del río
α Coeficiente dm Tirante medio A/Be
do Tirante sin socavación (m) Be Ancho efectivo de la sección sin
obstáculos
Dm Diámetro medio (mm)
β Coeficiente que depende del TR (Ver cuadro) υ Coeficiente de contracción
(Ver cuadro)
x Exponente que depende de:
Dm Para suelos granulares, no cohesivos (Ver cuadro)
γs Para suelos finos, cohesivos (Ver cuadro)
82.
83.
84. Calculo del Ancho estable.-
El cauce estable es aquel cauce que se encuentra en equilibrio dinámico, no presentando tendencias a la erosión ni
a sedimentación en el mediano y largo plazo.
El Método de Altunin se recomienda para material granular. No es apto para cauces con material cohesivo, se
obtienen valores congruentes para ríos con arena. Está basado en datos y observaciones en la Unión Soviética,
aplicable a ríos de gravas y material aún más grueso.
B Ancho de la superficie libre de agua (m)
A Coeficiente
Q Caudal (m3/s)
S Pendiente
n Coeficiente de rugosidad de Manning
K Coeficiente que depende de la resistencia de las orillas
3 a 4 Material de cauce muy resistente
16 a 20 Material facilmente erosionable
8 a 12 Material aluvial
10 En los problemas de ingeniería
m Exponente
0.5 Para ríos de montaña
0.7 Para cauces arenosos
1.0 Para cauces aluviales
85. El Método de Blench se recomienda para cauces con material cohesivo o formados en arena fina. (D50 < 1mm).
Para D50 > 1mm, se empiezan a obtener resultados absurdos.
Q Caudal (m3/s)
Fb Factor de fondo
0,8 Para material fino
1,2 Para material grueso
Fs Factor de orillas
0,1 Para materiales sueltos
0,2 Para materiales ligeramente cohesivos
0,3 Para materiales cohesivos
99. 2.1 COMPUERTAS METÁLICAS PLANAS
2.1.1 Determinación del Modelo y tipo de izaje
2.1.2 Planos típicos
100. 2.1.1 Determinación del Modelo y tipo de izaje
Generalidades.-
El diseño de las compuertas ha caído en el campo de la ingeniería mecánica: pero es necesario que el aspecto hidráulico precise las condiciones que guíen el dimensionamiento de las
compuertas.
Son usadas tradicionalmente, pero ello no quiere decir que las técnicas usadas en su diseño sean siempre las correctas.
Esta hecha de perfiles laminados soldados o atornillados. La parte fija consta de una guías realizadas con perfiles U, enlazadas entre si para servir de apoyo al mecanismos de
regulación.
En estos casos no es conveniente que la parte móvil ocupe la totalidad del espacio libre interior de la parte fija de la compuerta, para permitir la inspección, limpieza y repintado de las
superficies. La presión del agua aprieta el tablero contra las guías, consiguiendo un cierre casi completo si se colocan elementos de impermeabilidad adecuados.
El mecanismo de elevación de las compuertas tiene que vencer el peso propio y el rozamiento con las guías, que es igual al empuje del agua multiplicado por el coeficiente de
rugosidad, que para bronce sobre bronce puede ser de 0.40 y para fierro sobre fierro de 0.70. No obstante hay fabricantes que adoptan menores coeficientes.
101.
102.
103. Modelo tipo ARMCO.-
Las compuerta planas deslizantes tipo
ARMCO están diseñadas para diferentes
anchos, y para profundidades de agua que
pueden ser de 5’ pies (1.52 m) o de 10’ pies
(3.05 m) delante de la compuerta.
Las compuertas para profundidad de agua
de 5 pies, se denominan Modelo 5-00.
104. Las compuertas para profundidad de agua
de 10 pies, se denominan Modelo 10-00.
105. Calculo de la Presión hidráulica.-
L = luz libre del vano en metros
H = carga máxima de agua en metros
Ph = presión hidráulica sobre el tablero en Kg
Para compuerta plana con tablero de chapa reforzado y rodillos de desplazamiento: Ph
= 500 ( L + 0,08) 𝐻 2
Para el resto de compuertas de planas y tajaderas: Ph = 500 x L x 𝐻 2
106. Tipos de Izaje modelo ARMCO.-
Las compuertas Modelo 5-00 para las diferentes dimensiones, utilizan diferentes tipos de Izajes,
los cuales pueden ser:
Modelo H-2 D=18¨, o D= 24¨, o D= 30¨; Modelo HB D=24¨, o D= 30¨; y
Modelo CPE-2
107. Tipos de Izaje modelo ARMCO.-
Las compuertas Modelo 10-00 para las diferentes dimensiones, utilizan diferentes tipos de Izajes,
los cuales pueden ser:
Modelo HPB-18¨, HPB-24¨, ó HPB-30¨; Modelo CPE-2 ó CPE-4
108. 2.1.2 Planos típicos
A continuación se muestran planos de compuertas Modelo 5-00 y Modelos 10-00 con sus Izajes respectivos.
112. 2.2.1 Determinación del Modelo y tipo de izaje
Generalidades.-
Para anchuras de compuertas planas superiores a 1.50 m hay que poner dos cadenas de
elevación. Cuando aumenta todavía mas el ancho del tablero de compuerta, el rozamiento de
los laterales con las guías es tan grande que la elevación se dificulta. Cuando la anchura del
canal es grande, hay que subdividirla en varias compuertas, intercalando entre ellas unos
pilares.
Otra solución ingeniosa para disminuir los esfuerzos de elevación de una compuerta plana es
la modificar el tablero por uno de forma cilíndrica (compuerta radial). El esfuerzo de
flotación disminuye el peso a elevar. La compuerta radial estándar está diseñada para una
amplia gama de ancho, abriendo vías navegables clara.
Una compuerta radial actúa de manera similar a una sección de un tambor. La presión se
transfiere desde la cara curvada a través de las vigas horizontales de apoyo a los brazos
radiales en los lados de la abertura. Los brazos actúan como columnas y la transferencia a un
cojinete de empuje común situada en cada lado de la abertura de la compuerta.
Las Compuertas Radiales están hechas para dos tipos de instalaciones. La primera, y más
común, es un tipo de desbordamiento. Esta compuerta esta diseñada para 1 pie de agua que
fluye sobre la parte superior de la compuerta cuando la compuerta está cerrada. Para evitar
daños a la compuerta, se debe tener en cuenta factores de seguridad adecuados si hay un
113. Modelo tipo ARMCO.-
Una compuerta radial tipo ARMCO está diseñada para un ancho amplio, y para profundidades de
agua que van de 4’ (1.22 m) a 10 pies (3.05 m) delante de la compuerta.
Las compuertas radiales están hechas para dos tipos de instalaciones. La primera, y más común,
es de un tipo de desbordamiento (conocida como overflow), la hoja está diseñada para que fluya
por encima de la compuerta 1 pie (0.3048 m) de agua.
114. Calculo de la presión hidráulica.-
L= luz libre del vano en metros
H= carga máxima de agua en metros
Ph = presión hidráulica sobre el tablero en kg
Eje de giro por encima de la lámina de agua:
115.
116. Tipos de Izaje modelo ARMCO.-
Las compuertas Radiales para las diferentes dimensiones, utilizan diferentes tipos de Izajes, los
cuales pueden ser:
Modelo 400 ó
Modelo 900
117. 2.2.2 Planos típicos
A continuación se muestran planos de compuertas radiales en Bocatomas y un corte
transversal separadamente.
